Классификация электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

- методу измерения;

- роду измеряемой величины;

- роду тока;

- степени точности;

- принципу действия.
Существует два метода измерения:

1) метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина;

2) метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов. По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы:

- для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

- для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры);

- для измерения энергии (электрические счетчики);

- для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

- для измерения частоты тока (частотомеры);

- для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.

В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.

 

Магнитоэлектрическая система

Приборы этой системы (рис. 7.1) содержат постоянный магнит – 1, к которому крепятся полюса - 2.

                      

Рис. 7. 1                                                                                         Рис. 7. 2

 

В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр - 3 с наклеенной на него рамкой - 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины - 5.

Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке (3) рис.7.2. с магнитным полем полюсов N и S. Это взаимодействие вызывает вращающий момент, под действием которого рамка(3) вместе с цилиндром (2) повернутся на определенный  угол. Спиральная пружина(1), в свою очередь, вызывает противодействующий момент. Так как вращающий момент пропорционален току, M = kI, а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин M _пр = D a, то можно написать:

M = M _пр = kI = D a.                                          7. 4

где k и D – коэффициенты пропорциональности.

Таким образом, угол поворота стрелки магнитоэлектрического прибора пропорционален току в рамке и шкала такого прибора равномерна. Механизм магнитоэлектрического прибора обычно используется для изготовления гальванометра и амперметра.

 К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии.

Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).

 

Электромагнитная система

Приборы этой системы (рис. 7.3) имеют неподвижную катушку – 1 и подвижную часть в виде стального сердечника – 2, связанного с индикаторной стрелкой – 3 противодействующей пружины – 4.

                                

Рис. 7. 3                                                                                                 Рис. 7. 4

 

Измеряемый ток, проходя по катушке (1) рис 7.4., намагничивает сердечник (2) и втягивает его в катушку. При равенстве вращающего и тормозящего (пружина 6) моментов система успокоится, для быстрой остановки системы применяется успокоитель (4). По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток. Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:

М _ср = kI ².                                                                            7. 5

 

Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части, уравнение шкалы прибора запишем в виде:

a = kI ².                                                                          7. 6

 

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

К главным достоинствам электромагнитной системы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам.
Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала.

 

Электродинамическая система

Эта система представляет собой две катушки (рис. 7.5), одна из которых неподвижная(1), а другая подвижная(2). Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной, противодействие повороту катушки (2) оказывает пружина(3).

Рис. 7. 5

 

Из уравнения видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы получить шкалу, близкую к равномерной. Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, т.е. в качестве ваттметров, тогда:

.                                        7. 7

В этом случае шкала ваттметра равномерная. Основным достоинством прибора является высокая точность измерения. К недостаткам относятся малая перегрузочная способность, низкая чувствительность к малым сигналам, заметное влияние внешних магнитных полей.

 

Индукционная система

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами индуцируемыми полем в алюминиевом подвижном диске или цилиндре. Однофазный индукционный счетчик имеет две катушки с сердечниками: токовую катушку (рис. 7.6), рис 7.8. (3) навивают толстым проводом на стальной сердечник и включают последовательно с нагрузкой. Магнитный поток Ф ₁ в ней пропорционален току нагрузки. Магнитный поток Ф ₂ создается катушкой напряжения (рис. 7.7), рис.7.8.(2), которую навивают большим числом витков тонкого провода на стальной сердечник. Индуктивное сопротивление этого электромагнита несравненно больше активного, поэтому данную цепь можно считать чисто индуктивной (ток в катушке напряжения отстает по фазе на π/2). Таким образом, счетчик состоит из двух электромагнитов и подвижного алюминиевого диска. 

                     

Рис. 7. 6                                                                      Рис. 7. 7

 

 

Рис. 7. 8. Устройство индукционного счетчика: 1 – сердечник; 2 – катушка напряжения; 3 – токовая катушка; 4 – алюминиевый диск; 5 – ось диска; 6 – тормозящий магнит.

Общий вид индукционного счетчика и расположение сил – на рис. 7.9.

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

                                           7. 8

где Ф _U – часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; Ф _I – магнитный поток, созданный обмоткой тока; – угол сдвига между Ф _U и Ф _I.

Рис. 7. 9

 

Магнитный поток Ф _U пропорционален напряжению Ф _U = k ₂ U. Магнитный поток Ф _I пропорционален току: Ф _I = k ₃ I.

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

sin y = cos φ.

В этом случае

                               7. 9

т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки.
Противодействующий момент создается тормозным магнитом – 6 (рис. 7.8) и пропорционален скорости вращения диска:

                                                7. 10

В установившемся режиме , и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально

 

Измерение тока и напряжения

Измерение тока производится прибором, называемым амперметром.
Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Верхние две (рис. 7.10) предназначены для измерения постоянного тока, а две нижние схемы – для измерения переменного тока.

Рис. 7. 10. Схемы измерения тока А – амперметр; R, Z – нагрузка цепи; R_ш – сопротивление шунта; ИТТ – измерительный трансформатор тока

 

Схемы с R _ш и ИТТ применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

I _ИСТ = I _ИЗМ k _пр,                                                               7. 11

 

где I_ист – истинное значение тока, I_изм – измеренное значение тока, k_пр – коэффициент преобразования. Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис. 7.11). Верхние две схемы имеют полярность и подключаются постоянному напряжению, а нижние к переменному.

Рис. 7. 11. Схемы измерения напряжения V – вольтметр; R,Z – нагрузка цепи; R_доп – дополнительное сопротивление; ИТН – измерительный трансформатор напряжения.

 

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая (R _доп) и четвертая (ИТН) схемы).

 

Измерение мощности

Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение и ток. Результат определяется по формуле

                                                      7. 12

Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если cos φ = 1.
Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором – ваттметром. Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система. Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй – пропорциональный напряжению в сети. Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:

                                                7. 13

На рис. 7.12  показана схема включения ваттметра в однофазную сеть.

Рис. 7. 12. Схема включения ваттметра

 

В трехфазных сетях для измерения мощности используют один, два и три ваттметра.

Измерение сопротивлений

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае

                                                    7. 14

Можно использовать омметр – прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра: а) последовательная; б) параллельная (рис. 5.15).

а                                                              б

Рис. 7. 13. Схема омметров: а – последовательная, б - параллельная; Г – измерительный прибор; Rx – измеряемое сопротивление; R_доб – добавочное сопротивление; К – ключ; U – напряжение питания.

 

Уравнение шкалы последовательной схемы намерения:

,                                          7. 15

где R_г – сопротивление цепи гальванометра. При U = const угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления R_x. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений  

Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами.

На рисунке Рис. 7.14. приведена схема включения потенциометрического датчика измерения уровня топлива автомобиля в цепь контрольного прибора: У – указатель, Д – датчик, R _Д – реостат датчика, П – ползунок реостата, П_Л – поплавок датчика. Работа датчика основана на измерении сопротивления реостата датчика в зависимости от положения поплавка в бензобаке автомобиля.

Рис. 7. 14