Электромагнитные амперметры и вольтметры

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным сердечником, втягивающимся в катушку с током. Энергия магнитного поля катушки, через которую протекает постоянный ток I

Подставляя значение энергии W_эм в обобщенное уравнение шкалы (формула 3.2) для электромеханических механизмов, получим

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то, за счет инерционности механизма, происходит усреднение по времени, т.е. можно записать уравнение шкалы в виде

По определению, действующее значение тока

,

т.е. уравнение примет вид

. (3.6)

Из формулы 3.6 следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален действующему значению тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерений постоянных и переменных токов и напряжений. Из уравнения шкалы (3.6) видно также, что шкалы этих приборов нелинейны, а частичная линеаризация производится с помощью выбора специальной формы подвижного ферромагнитного сердечника.

Амперметры. В электромагнитных амперметрах катушка измерительного механизма включается непосредственно в разрыв цепи измеряемого тока.

Щитовые амперметры выпускаются с одним пределом измерений, переносные (лабораторные) могут иметь несколько пределов измерений. При этом выбор предела производят путем переключения секций обмотки катушки, включая их последовательно или параллельно.

Шунты в этих амперметрах не применяются, т.к. катушка имеет очень малое собственное сопротивление.

При измерении больших переменных токов используют измерительные трансформаторы тока (§ 3.2).

При использовании амперметров в цепях постоянного тока появляется погрешность от гистерезиса намагничивания сердечника. Для уменьшения этой погрешности сердечники изготавливают из магнитомягких материалов, например, пермаллоя.

При изменении частоты измеряемого тока в амперметрах возникает частотная погрешность, вследствие действия вихревых токов в сердечнике и других металлических частях механизма, пронизываемых магнитным потоком катушки.

Промышленностью выпускаются амперметры с предельными значениями токов от долей ампера до 200 А.

Для косвенного включения амперметров через трансформаторы тока наиболее часто применяют амперметры на 5 А.

Вольтметры. Если учесть, что ток через обмотку катушки прибора , где U – приложенное напряжение, а Z_пр – модуль полного сопротивления, то из формулы (3.6) получим уравнение шкалы для электромагнитных вольтметров

 

.

 

Т.о. электромагнитные вольтметры измеряют действующее значение напряжения, но их показания существенно зависят от частоты, т.к. катушка вольтметра имеет большую индуктивность, чем амперметр, для создания необходимого вращающего момента. Расширение пределов измерения осуществляется с помощью набора добавочных резисторов (§ 3.2), которые одновременно увеличивают входные сопротивления вольтметров.

К общим достоинствам электромагнитных приборов относят:

- простота конструкции;

- надежность;

- способность выдерживать большие перегрузки;

- пригодность применения в цепях постоянного и переменного токов;

- низкая стоимость.

Недостатки:

- большое собственное потребление энергии (единицы ватт);

- малая точность;

- малая чувствительность;

- сильное влияние внешних магнитных полей, т.к. мало поле катушки с током, как у соленоида без сердечника.

 

 

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии полей двух катушек с токами, одна из которых неподвижна.

Электрокинетическая энергия двух катушек с токами

 

,

где L₁ и L₂ – индуктивности подвижной и неподвижной катушек, I₁ и I₂ – токи в этих катушках, - взаимная индуктивность катушек.

От угла поворота зависит только взаимная индуктивность М, тогда, с учетом формулы (3.2), получим уравнение шкалы в виде

, (3.7)

т.е. механизм электродинамической системы в принципе является перемножающим электромеханическим устройством.

Если по катушкам протекают переменные токи, например, синусоидальной формы

 

и ,

то уравнение шкалы запишется в виде

 

, (3.8)

где j = j₁ - j₂ – угол сдвига фаз между токами в катушках.

Т.о. угол отклонения у этих механизмов при переменных токах i₁и i₂ зависит от произведения токов и их разности фаз. Это дает возможность использовать приборы электродинамической системы не только в качестве амперметров и вольтметров, но и качестве ваттметров, а с применением двух подвижных рамок, скрепленных между собой под некоторым углом (логометры) – в качестве фазометров.

Амперметры. В амперметрах катушки могут быть соединены последовательно (рис. 3.8) или параллельно. Параллельное соединение применяется у амперметров относительно больших токов (до 10 А).

Последовательное соединение применяют в миллиамперметрах и амперметрах до 0.5 А. Такие токи не способны повредить тонкие токоподводящие пружинки.

В последовательной схеме амперметра I₁=I₂=I, φ₁-φ₂=0, уравнение шкалы для переменных токов (3.8) сводится к виду

,

 

т.е. при условии, что угол поворота стрелки квадратично зависит от тока протекающего в катушках. Следовательно, будет измеряться действующее значение тока. Однако шкала нелинейна, и для ее линеаризации подбирают формы и расположение катушек таким образом, чтобы не оставалось постоянным, а существенно зависело от угла между подвижной и неподвижной катушками.

В параллельной схеме амперметров I₁=k₁I и I₂=k₂I, а разность фаз также обеспечивается равной нулю установкой дополнительных индуктивностей в цепях основных катушек. Электродинамические амперметры обладают частотными погрешностями, т.к. суммарное полное сопротивление зависит от частоты тока. Однако в настоящее время это самые точные приборы для измерения переменных токов промышленной частоты в диапазоне от 10 мА до 10 А.

Вольтметры. Для увеличения внутреннего сопротивления обе катушки у вольтметров включается только последовательно с применением добавочного резистора R_ДОБ (рис. 3.9), уменьшающего ток через прибор. При последовательном включении катушек I₁=I₂=I, при общем сопротивлении цепи прибора Z_п=Z₁+Z₂+R_ДОБ, с учетом формулы (3.7), уравнение шкалы вольтметра примет вид

.

Как и в случае амперметров, изменением добиваются почти равномерного характера шкалы у вольтметров.

Обычно вольтметры выполняются многопредельными с помощью добавочных резисторов. Применяются для непосредственного измерения напряжений до 600 В.

При измерении высоких напряжений применяют измерительные трансформаторы напряжений (§ 3.2).

Электродинамические вольтметры обладают частотными погрешностями, которые могут быть вычислены по формуле

 

,

где δ_f – относительная частотная погрешность на частоте f, τ=L_V/R_V – постоянная прибора, L_V – суммарная индуктивность катушек, R_V – общее сопротивление вольтметра с учетом R_ДОБ.

Возможна коррекция частоты и компенсация частотной погрешности (δ_f=0) на частоте , где С_ДОБ – емкость, подключаемая параллельно добавочному резистору.

Ваттметры. При построении ваттметров используют тот факт, что угол отклонения электродинамического механизма пропорционален произведению токов в катушках (см. формулу 3.7).

Из рис. 3.10 видно, что схема включения катушек ваттметра при изменении мощности, потребляемой нагрузкой Z_Н, обеспечивает перемножение токов и I₁=I_Н. Подвижная катушка включается параллельно как вольтметр, а неподвижная последовательно как амперметр. С учетом этого уравнение шкалы для ваттметра

 

,

где Z_V – полное сопротивление вольтовой обмотки, cos φ – угол сдвига фаз между током и напряжением в нагрузке.

Уравнение шкалы ваттметра имеет линейный характер, причем показания будут пропорциональны активной мощности. Классы точности многопредельных лабораторных ваттметров достаточно высоки (0.2, 0.1). Диапазон измеряемых мощностей от несколько ватт до нескольких киловатт. Измерения могут выполняться как на постоянном токе, так и на токах промышленной частоты.

Погрешности электродинамических ваттметров возникают из-за температурных влияний и наличия внешних магнитных полей. При повышении частоты до нескольких сот герц существенными становятся также частотные погрешности, обусловленные ростом индуктивного сопротивления катушек, приводящим к уменьшению вращающего момента.

Для увеличения чувствительности и уменьшения влияния внешних магнитных полей неподвижная катушка может иметь магнитомягкий сердечник, между полюсами которого размещается подвижная катушка. Также приборы получили название ферродинамических.

Электродинамические логометры. В логометри-ческих измерительных механизмах подвижная часть вы-полняется в виде двух жестко скрепленных между собой катушек, помещенных внутри неподвижной катушки с током I. По обмоткам подвижных катушек протекает токи I₁ и I₂, которые подводятся с помощью металлических лент, практически не имеющих противодействующего момента (рис. 3.11).

Вращающие моменты, создаваемые воздействием неподвижной катушки с током I с магнитными полями подвижных катушек с токами I₁ и I₂, направлены встречно. Т.о. момент первой катушки – вращающий, момент второй – противодействующий. Уравнение шкалы принимает вид

 

,

если обеспечить равенство I₁ = I₂ по модулю, то шкалу прибора можно градуировать в φ или в cosφ. Такие приборы применяются для измерения cosφ - фазометры и для измерения частот – частотомеры. У последних используется зависимость угла отклонения от отношения сопротивления в цепях подвижных рамок, т.е. . Если, например, I₂ не зивисит от частоты, то при добавлении конденсатора в цепь подвижной обмотки за счет резонанса происходит изменение Z₁. Следовательно шкала прибора может быть градуирована в единицах частоты, т.к. .

Электродинамические частотомеры выпускаются для измерения частоты в узком диапазоне (45-55, 450-550 Гц), классов точности 1, 1.5. Фазометры – в виде переносных приборов с диапазоном измерений угла φ от 0⁰ до 90⁰ и cosφ от 0 до 1 для индуктивной и емкостной нагрузки, классы точности 0.2, 0.5.