Читайте также:
|
По принципу работы средства для измерений напряжения и тока делятся на две основные группы:
· электромеханические, основанные на механическом взаимодействии магнитных или электрических полей. Такие приборы применяются, в основном, в цепях постоянного тока или низкой частоты и имеют погрешность в пределах 0,5 – 3%.
· электронные, которые являются в настоящее время основным инструментом электро – и радиотехнических измерений. Они содержат элементы, выполненные на современной элементной базе (микросхемы, транзисторы, диоды) и используют в качестве индикаторов либо магнитоэлектрические приборы или ЭЛТ (в аналоговых системах), либо цифровые отсчетные устройства
Наименьшее значение сигнала, который можно обнаружить данным прибором, называется его порогом чувствительности. Разность двух близких значений измеряемой величины, при которой их еще можно различить данным прибором, называется его разрешающей способностью.
Методы измерения.
Измерения электрического тока и напряжения являются наиболее распространенными видами электрических измерений. В зависимости от вида тока, его величины, формы кривой, частоты применяются различные методы и приборы для измерения. Наиболее часто пользуются методами непосредственной оценки и сравнения.
При непосредственной оценке используют амперметры и вольтметры. Это электромеханические или электронные приборы со стрелочным или цифровым способом отсчета. Амперметры и вольтметры соответствующих систем позволяют измерять токи и напряжения от микроампер до килоампер и от микровольт до нескольких киловольт.
Токи и напряжения измеряются в цепях постоянного и переменного токов в диапазоне частот до нескольких сотен мегагерц. Измерения на высоких и сверхвысоких частотах имеют особенности, из-за которых в этом диапазоне преимущественно измеряются напряжения, а не токи. Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. На переменном токе точность зависит от частоты, с повышением которой она снижается.
Все электромеханические измерительные механизмы, у которых угол поворота подвижной части зависит от проходящего через них тока, применяются непосредственно или с измерительными преобразователями для измерения силы тока и напряжения.
Для измерения силы тока цепь, в которой производят измерение, разрывают и между точками 1 и 2 (рис. 3.14, а, б, в) включают элементы измеряющих устройств: измерительный механизм, шунт, образцовый резистор.
Рис. 3.14. Измерение тока и напряжения с помощью амперметра и вольтметра
Сопротивление этих устройств должно быть незначительным по сравнению с полным сопротивлением измеряемой цепи: их включение не должно искажать режим работы цепи. Например, при измерении постоянного тока по схеме рис. 3.14, а значение тока I зависит от приложенного к цепи напряжения U и суммы сопротивлений амперметра R A и нагрузки R Н, т. е. I = U / R Н + R A. Если R A «R Н то ток I практически не изменится при включении в цепь амперметра.
Между точками 1 и 2 (на амперметре) образуется падение напряжения U A = I R A. При максимальном значении измеряемого тока I m падение напряжения также максимально U Am = I m R A, а потребляемая амперметром мощность равна P Am = I 2 m R A. Тот прибор, который потребляет меньшую мощность P Am, является лучшим.
Влияние амперметра на изменение измеряемого тока можно охарактеризовать отношением R A/(R A + R Н). Например, при величине отношения 0,01 уменьшение тока в цепи будет не больше 1%, при 0,1 — достигнет 10% и т.д.
Вольтметры присоединяются к точкам цепи, разность электрических потенциалов между которыми надо определить (рис. 3.14,г). Чтобы не искажался режим работы цепи, входное сопротивление вольтметра должно быть большим, а потребляемая им мощность — малой. Если активное сопротивление вольтметра R V, то потребляемая вольтметром мощность P V = U 2 / R V
Метод сравнения позволяет измерять напряжение и э.д.с. с более высокой точностью, чем метод непосредственной оценки. Реализуется этот метод в компенсаторах постоянного и переменного токов, компенсационных схемах и электронных вольтметрах. Компенсационный принцип измерения напряжения позволяет косвенно измерять ток с высокой точностью; применяется он главным образом для градуировки точных амперметров и вольтметров.
К вольтметрам и амперметрам предъявляются следующие основные требования: стабильность градуировки шкалы; высокая точность измерений; известная зависимость показаний от формы измеряемых токов и напряжений; большое входное сопротивление у вольтметров и малое у амперметров; высокая селективность для избирательных вольтметров, малая зависимость показаний от частоты у широкополосных приборов.
Магнитоэлектрические приборы.
Измерительные механизмы.
Магнитоэлектрический измерительный механизм содержит магнитопровод с постоянным магнитом и контур с током, выполненный в виде катушки. Для перемещения подвижной части механизма используется энергия взаимодействия магнитных полей магнита и катушки. Конструктивно магнитоэлектрические измерительные механизмы выполняются с неподвижным постоянным магнитом и подвижной катушкой, изготовленной в виде рамки, или с неподвижной катушкой и подвижным постоянным магнитом. Наиболее часто применяются механизмы с подвижной рамкой.
Магнитная система такого механизма состоит из сильного постоянного магнита, магнитопровода, полюсных наконечников инеподвижного сердечника. Магнитопровод, полюсные наконечники, сердечник изготовляются из магнитомягких материалов. Полюсные наконечники имеют цилиндрическую выточку, в которую концентрически помещается сердечник. Между полюсными наконечниками и сердечником имеется воздушный зазор, в любой точке которого существует радиальное магнитное поле с постоянным значением магнитной индукции В. Между полюсными наконечниками и сердечником располагается подвижная рамка (катушка), представляющая собой легкий алюминиевый каркас обычно прямоугольной формы, на который намотана тонкая медная или алюминиевая изолированная проволока диаметром от 0,03 до 0,2 мм. К рамке с двух сторон приклеивают алюминиевые буксы, в которых закрепляются полуосиили растяжки. Установленная на полуосях или растяжках рамка может свободно поворачиваться вокруг сердечникана некоторый рабочий угол и перемещать жестко скрепленную с ней стрелку относительно шкалы. Ток к рамке подается через зажимыидве спиральные пружинки, создающие противодействующий момент.
В магнитоэлектрических механизмах для успокоения колебаний подвижной части специальные успокоители не применяются: магнитоиндукционное успокоение происходит при перемещении алюминиевого каркаса катушки в поле постоянного магнита, а электромагнитное — от наведения э.д.с. в обмотке перемещающейся в магнитном поле рамки (особенно когда обмотка рамки замкнута на некоторое внешнее сопротивление). Для увеличения момента успокоения на рамку иногда наматывают несколько короткозамкнутых витков.
Принцип работы магнитоэлектрического механизма с подвижной рамкой и равномерным радиальным магнитным полем заключается в следующем. Когда по рамке протекает измеряемый постоянный ток I из, на активные части витков ее обмотки действует пара сил F, создающая вращающий момент (рис. 3.15).
Рис. 3.15. Магнитоэлектрический измерительный механизм с подвижной катушкой в радиальном магнитном поле
Следует отметить, что этот вращающий момент определяется практически только изменением запаса энергии измерительного механизма прибора от угла поворота подвижной части, так как энергия постоянного магнита неизменна, а изменением индуктивности L вращающейся катушки в рассматриваемой конструкции можно пренебречь.
Можно показать, что величина вращающего момента применительно к конструкции магнитоэлектрического измерительного механизма с радиальным магнитным полем определяется следующим выражением:
M = BnsI из, (3.20)
где: B — магнитная индукция в воздушном зазоре,
s = bl — площадь рамки (l — длина активной части рамки, b — её ширина),
n — число витков рамки,
I из— величина измеряемого постоянного тока.
Под влиянием вращающего момента подвижная часть измерителя поворачивается, закручивая или раскручивая противодействующие пружинки и создавая противодействующий момент w. В момент равенства вращающего и противодействующего моментов подвижная часть останавливается. При этом угол отклонения стрелки α определяется выражением:
(3.21)
где S I — чувствительность прибора к току.
Чувствительность S I не зависит от угла поворота рамки и постоянна по всей шкале, т. е. шкала магнитоэлектрического прибора равномерная.
Очевидно, что при изменении направления тока, проходящего через прибор, меняется и направление отклонения рамки. Поэтому при включении прибора в электрическую цепь надо учитывать полярность постоянного тока.
Отсчет угла α по шкале прибора необходимо производить после окончания переходного процесса, в течение которого подвижная часть находится в движении. Процесс перехода подвижной части в положение равновесия происходит от воздействия на нее момента успокоения. Этот момент возникает как в результате трения в опорах и трения подвижной части прибора о воздух, так и в результате воздействия токов, индуктированных в металлическом каркасе рамки, при ее движении в поле постоянного магнита и взаимодействия токов, индуктированных в витках обмотки рамки с магнитным полем, если она замкнута на какое-либо сопротивление.
Приборы на растяжках (подвесе) не имеют трения в опорах. У них момент воздушного успокоения обычно весьма мал по сравнению с остальными, не поддается регулировке или изменению у готового прибора и, как показывают исследования, пропорционален угловой скорости движения подвижной части (рамки).
Отметим основные достоинства магнитоэлектрических измерительных механизмов:
· возможность создания приборов высокой чувствительности (известны микроамперы с током полного отклонения 0,01 мкА );
· возможность изготовления высокоточных приборов (классов 0,05; 0,1; 0,2);
· малое собственное потребление электрической энергии — в рамках измерителей потребляемая мощность имеет порядок 
Вт, а в совокупности с измерительной схемой — несколько десятых долей ватта.
К недостаткам магнитоэлектрических измерителей можно отнести сравнительно сложное их устройство, а также боязнь перегрузок и возможность измерения только постоянных токов.
Магнитоэлектрические измерительные механизмы широко применяются при различных измерениях. Их используют в качестве амперметров и вольтметров для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока, а в сочетании с различного рода преобразователями и в цепях переменного тока. Эти приборы служат омметрами и используются для комплектации многих приборов, измеряющих электрическими методами неэлектрические величины. Малогабаритные магнитоэлектрические приборы широко применяются в измерительной технике. Многие радиоизмерительные приборы содержат в качестве отсчетных устройств или индикаторов магнитоэлектрические измерители.
Амперметры.
Непосредственное включение в цепь между точками 1 и 2 (см. рис. 3.14, а) магнитоэлектрического измерительного механизма позволяет измерять малые токи. Тонкий провод обмотки рамки измерителя и спиральные пружинки нельзя нагружать токами, бóльшими, чем 
ма, поэтому измерительный механизм выполняет функции микро- и миллиамперметра.
При измерении больших токов пользуются шунтами, которые включают параллельно измерительному механизму (см. рис. 3.14, 6). Сопротивление шунта R ш выбирают таким, чтобы большая часть измеряемого тока I протекала по шунту, а оставшаяся часть измеряемого тока I из не превышала допустимого для обмотки измерителя значения. Отношение токов I/Iиз = n называют коэффициентом шунтирования. Очевидно, что значение реального измеряемого тока может быть определено по формуле I = nI из. Для удобства п выбирается целым числом (n = 2; 5; 10 и т. д.).
Шунты обычно изготавливают из манганина — сплава с малым температурным коэффициентом сопротивления.
Сопротивлёние шунта определяется из очевидных равенств (см. рис. 3.14, 6).
I ш R ш =I из R из; I ш = I – I из; I = nI из.
откуда следует, что:
, (3.22)
где R из — сопротивление измерительного механизма.
Конструкция шунтов и условия их использования определяются пределами измерения амперметров и их назначением. Шунты для измерения сравнительно небольших токов (до 30 а) монтируются в корпусе прибора и называются внутренними. Токи большой величины (до нескольких тысяч ампер) измеряют с помощью наружных шунтов.
Вольтметры.
Непосредственное включение магнитоэлектрического механизма между точками с разными электрическими потенциалами применяется только при незначительной разности потенциалов, исчисляемой милливольтами. В этом случае измерения проводят с помощью стрелочных милливольтметров или гальванометров.
При измерении больших напряжений ток следует ограничивать добавочным сопротивлением (рис. 3.16, а). Если предел измерения напряжения измерительного механизма необходимо расширить в m раз: U = mU из, то величину добавочного сопротивления R д определяют из следующего равенства
(3.23)
где RV — полное сопротивление вольтметра.
Отсюда
R Д = R из (m – 1). (3.23,а)
Рис. 3.16. Схемы соединения измерительного механизма с добавочным сопротивлением
Подставив значение I V в (3.21)), получим:
, (3.24)
где SV — чувствительность прибора по напряжению.
Отсюда следует, что шкалу можно проградуировать в единицах напряжения, она равномерна и вольтметр обладает полярностью.
Вольтметр с добавочным сопротивлением малочувствителен к изменению окружающей температуры, так как обычно R из «R Д и незначительные изменения R из от температуры при постоянстве R Д не приводят к заметным изменениям тока I V. Таким образом, добавочные сопротивления не только расширяют предел измерения напряжения, но и уменьшают дополнительную погрешность вольтметра.
Для удобства измерений вольтметры часто изготавливают на несколько пределов измерения (рис. 3.16, б).
Добавочные сопротивления изготавливаются из манганиновой изолированной проволоки, которая наматывается на каркасы в виде катушек или пластин. Применяются как внутренние, встроенные в корпус вольтметра, так и наружные добавочные сопротивления. Последние могут быть индивидуальными, используемыми только с тем прибором, с которым производилась градуировка, и калиброванными, применяемыми с любыми приборами, номинальный ток которых равен номинальному току добавочного сопротивления.
Магнитоэлектрические вольтметры отличаются от вольтметров других систем высокой точностью и большой чувствительностью.
Влияние внешних постоянных магнитных полей на показания магнитоэлектрических приборов сравнительно небольшое, так как собственное поле магнита довольно велико.
В то же время приборы магнитоэлектрической системы сами создают вблизи себя значительное магнитное поле, которое может влиять на показания других приборов. Поэтому при проведении измерений их приборы размещают так, чтобы расстояние между ними и другими измерительными системами было не меньше 20 см.
Электромагнитные приборы
Принцип действия электромагнитных измерительных механизмов основан на взаимодействии магнитного поля контура с током с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками. Контур с током обычно выполняют в виде плоской или круглой неподвижной катушки, намотанной медным проводом, а подвижный сердечник изготавливают из магнитомягких материалов (электротехническая сталь, пермаллой). В измерительных механизмах, изображенных на рис. 3.17, ток I из, протекающий по катушкам 1, создает магнитное поле. В приборах с плоской катушкой (рис. 3.17, а) это поле втягивает в узкую щель сердечник в виде стальной пластинки 2, жестко укрепленной на оси 3. При этом создается вращающий момент. Противодействующий момент образуется пружинкой 4. В приборах с круглой катушкой (рис. 3.17, б) вращающий момент создается в результате взаимодействия подвижной 2 инеподвижной 7 пластин, расположенных внутри катушки 1. При прохождении тока по обмотке катушки обе пластинки намагничиваются и взаимодействуют друг с другом. Вследствие этого подвижная пластина 2 вместе с осью 3 истрелкой 6 поворачивается на некоторый угол α, закручивая противодействующую пружинку 4. Для быстрого успокоения движения подвижной части применяют воздушные успокоители 5.
В электромагнитных механизмах электромагнитная энергия контура с током преобразуется в механическую энергию, под действием которой перемещается подвижная часть прибора. При протекании через катушку с индуктивностью L постоянного тока I из энергия магнитного поля равна
,
откуда вращающий момент
, (3.25)
так как при перемещении ферромагнитного сердечника изменяется индуктивность катушки. Если катушку электромагнитного механизма питать переменным током, то мгновенное значение вращающего момента описывается выражением:
(3.25,а)
Подвижная часть прибора из-за своей инерционности не успевает следовать за изменением М(t) и реагирует поэтому на его среднее значение.
При установившемся отклонении подвижной части вращающий момент уравновешен противодействующим, Из этого следует, что
, (3.26)
где I из — действующее значение переменного тока, R k — внутреннее сопротивление катушки.
Рис. 3.17. Электромагнитный измерительный механизм с катушками: а — с плоской; б — с круглой
Из приведенного выражения следует, что шкалу измерительного механизма можно отградуировать в единицах силы тока и напряжений. Знак угла поворота подвижной части для приборов рассматриваемого типа не зависит от направления тока в катушке, поэтому электромагнитные приборы можно применять для измерений в цепях как постоянного, так и переменного токов. При этом на переменном токе мы будем измерять действующее значение тока или напряжения.
Электромагнитные приборы проще по конструкции и дешевле других, надежны в работе и из-за отсутствия токоподводов к подвижной части способны выдерживать большие перегрузки.
Рассмотренные конструкции электромагнитных приборов используются в качестве амперметров и вольтметров. Основная область их применения — измерения в цепях переменного тока промышленной частоты.
Если же не ограничиваться областью энергетики, то, как отмечалось в разд. 2.3.1, диапазон практически применяемых частот синусоидальных токов очень широк: от долей герца до миллиардов герц (мегагерц) в радиотехнике.
Для измерения напряжений и токов низких (звуковых) частот применяют приборы выпрямительной системы, иногда называемые также детекторными приборами. Они представляют собой сочетание добавочных резисторов или шунтов, полупроводниковых выпрямителей и измерителя магнитоэлектрической системы.
Для измерения переменных напряжений с частотой от десятка герц до 1000 Мгц. применяются электронные вольтметры (ЭВ), представляющие собой сочетание измерительной схемы, содержащей микросхемы, полупроводниковые приборы (а в ранних конструкциях - электронные лампы) и измерительного механизма магнитоэлектрической или электростатической системы.
Принципы работы указных приборов будут рассмотрены в дальнейшем.
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 137 | Нарушение авторских прав