Основные сведения из теории.

Магнитоэлектрические приборы работают на принципе взаимодействия магнитного поля постоянного магнита с током, протекающим по виткам подвижной катушки, помещенной между полюсами магнита (рисунок 6.1.). Магнитная цепь прибора состоит из подковообразного постоянного магнита 1 с полюсными наконечниками специальной формы 2. Для уменьшения сопротивления магнитной цепи между полюсами магнита помещается стальной цилиндр 3. В зазоре между полюсами, наконечниками и цилиндром размещена прямоугольная рамка с катушкой 4. Рамка жестко связана с подвижной осью прибора, на которую насажена стрелка прибора 6.

Вращающий момент пропорционален току, проходящему по катушке. Ток, проходящий по виткам катушки, взаимодействует с полем постоянного магнита и создает вращающий момент. Тормозной момент создается двумя спиральными пружинами 7, установленными на оси прибора по обе стороны рамки. Эти пружины изолированы от оси и от неподвижной части прибора, так как одновременно служат для подведения тока к катушке. Каркас выполняется из алюминия и поэтому обладает очень малой инерцией, что обеспечивает большую чувствительность приборов. Для успокоения стрелки прибор снабжается магнитоиндукционным успокоителем в виде короткозамкнутого витка на рамке. При вращении рамки в этом витке возникает ток, который, взаимодействуя с полем постоянного магнита и создает тормозной момент.

Рисунок 6.1. Устройство магнитоэлектрического прибора

На шкале прибора установлены два упора, определяющие крайнее положения стрелки. Вращающий момент, действующий на рамку. Определяется по выражению:

М_вр = k B sin b

где b - угол между векторами индукции магнитного поля постоянного магнита и собственного поля рамки.

Так как В = const, β = 90 при всех положениях рамки, то вращающий момент, а значит отклонения стрелки пропорционально току, этим обеспечивается равномерность шкалы приборов.

Достоинства магнитоэлектрических приборов.

1. Равномерность шкалы.

2. Большая точность и высокая чувствительность.

3. Незначительное влияние внешних полей (свое поле сильное).

Недостатки магнитоэлектрических приборов.

1. Относительная сложность конструкции и высокая стоимость.

2. Слабая перегрузочная способность.

3. Возможность применения только в цепях постоянного тока.

Приборы электромагнитной системы работают на принципе втягивания в катушку с током ферромагнитного сердечника. Неподвижная часть прибора состоит из плоской катушки, (рисунок 6.2.) витки катушки выполнены из медной изолированной проволоки 1, помещенной на картонный каркас. Подвижной системой прибора является ферромагнитный сердечник в виде тонкого эксцентрического лепестка насаженного на ось. К этой же оси прикреплена стрелка 2, спиральные пружины 3 и поршенек воздушного успокоителя 4. Ось своими концами удерживается в агатовых подпятниках. Успокоение подвижной системы осуществляется трением о воздух поршенька, передвигающегося в металлической дугообразной камере успокоителя 5. При прохождении тока по виткам катушки создается магнитное поле, намагничивающее сердечник, в результате чего возникает сила F, которая втягивает его в узкую щель катушки. Вместе с сердечником поворачивается и стрелка прибора. Величина вращающего момента пропорциональна квадрату тока: , т. е шкала приборов неравномерна.

На практике приборы электромагнитной системы используются обычно для измерения действующих значений переменного тока, что достигается градуировкой шкал приборов при помощи тепловых приборов постоянного тока.

Достоинства электромагнитных приборов.

1. Простота конструкции, обеспечивающая надежность работы.

2. Высокая перегрузочная способность.

3. Возможность использования в измерениях постоянного и переменного тока.

4. Сравнительно небольшая потребляемая мощность (от 5 до 10 Вт).

Недостатки электромагнитных приборов.

1. Небольшая точность измерения.

2. Неравномерность шкалы.

3. Подвержены влиянию внешних магнитных полей (собственное поле слабое).

Рисунок 6.2. Устройство прибора электромагнитной системы.

Принцип работы электродинамических приборов основан на взаимодействии двух магнитных потоков, создаваемых токами и протекающими по виткам подвижной и неподвижной катушек (рисунок 6.3.) Неподвижная катушка может быть секционированной и состоять из двух одинаковых частей, которые соединены последовательно. Ток этой катушки создает неподвижное магнитное поле. Подвижная катушка закреплена на вертикальной оси и ток к ней подводится при помощи изолированных от оси спиральных пружин. На оси катушки закреплена стрелка прибора и крыльчатка воздушного успокоителя. Таким образом, в основе конструкции электродинамического прибора лежит тот же принцип подвижной катушки с током в магнитном поле, который используется в магнитоэлектрических приборах. Разница заключается в том, что неподвижное магнитное поле в электрическом приборе создается не постоянным магнитом, а неподвижной катушкой с током, поэтому основное поле прибора не зависит от тока в неподвижной катушке.

Рисунок 6.3. Устройство прибора электродинамической системы.

Вращающий момент, возникающий в результате взаимодействия полей, создаваемых токами подвижной и неподвижной катушек стремится повернуть подвижную катушку до такого положения, что ее магнитное поле совпало с полем неподвижной катушки.

Вращающий момент прибора выражается:

M_вр = k B sin b

т.к. магнитный поток замыкается по воздуху, то магнитная индукция В прямопропорциональна току: В= k₁ I₁ и Мвр =k₂ I₂ sin b.

Если соединить обе катушки прибора последовательно, то через них будет проходить один и тот же ток и Мвр =k₂ I₂ sin b. Так работают амперметры и вольтметры. Они имеют неравномерную шкалу, применяются в цепях переменного тока для более точных измерений. При различных значениях токов в катушках получается электромагнитный момент, пропорциональный произведению токов. Если один из токов выбрать равным току в цепи, а другой ток сделать пропорциональным напряжению: I ₂ = k ₃ U, то вращающий момент будет пропорционален мощности:

Мвр = k ₃ U I = k ₃ P

При таком включении электродинамический прибор является ваттметром, измеряющим мощность.

Если электрическую схему ваттметра сочетать с механической схемой интегрирующего прибора, то получится счетчик электрической энергии, в котором момент, действующий на подвижную часть прибора, пропорционален мощности. Этот принцип лежит в основе конструкции электродинамических счетчиков, в которых подвижная часть состоит из нескольких расположенных под углом друг к другу и жестко связанных между собой катушек. Использование подвижной части из нескольких катушек необходимо потому, что в случае одной катушки счетчик при включении может оказаться в мертвом положении (b = 0) sin b= 0, Мвр =0 и не тронется с места.

Электродинамические ваттметры применяются в цепях постоянного тока. В цепях переменного тока применяются счетчики индукционной системы. Стремление увеличить вращающий момент в приборах электродинамической системы, в которых магнитный поток замыкается по воздуху, привело к созданию ферродинамических приборов.

Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с токами, наведенными в металлическом диске.

Алюминиевый диск, укрепленный на оси, размещён в зазоре электромагнитов А и Б (рисунок 6.4). По обмоткам электромагнитов проходят синусоидальные токи I_А и I_Б, сдвинутые по фазе на угол. Теоретически доказано, что вращающий момент, приложенный к диску, пропорционален произведению токов в обмотках электромагнитов А и Б и синусу угла сдвига фаз между ними:

Примером прибора индукционной системы является счётчик электрической энергии.

Рисунок 6.4. Схема устройства прибора индукционной системы.

Показания электроизмерительных приборов всегда отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано несовершенством конструкции измерительного механизма, непостоянством параметров измерительной цепи и влиянием внешних факторов (изменением температуры окружающей среды, посторонние магнитные и электрические поля и др).

Точность измерений характеризуется допустимой погрешностью измерений. Различают абсолютную и относительную погрешности.

Абсолютная погрешность:

где: А_ИЗМ - показания прибора при измерении величины;

А_Д - действительное значение величины (может быть измерено эталонным прибором).

Относительная погрешность

Приведенная относительная погрешность прибора

где: А_Н - номинальное значение шкалы прибора, то есть его верхний предел измерений.

По приведенной относительной погрешности все приборы подразделяют на следующие классы точности: 0,05; 0,1. 0,2; 0,5: 1,0. 1,5: 2.5. 4,0. Цифра, характеризующая класс точности показывает, какую наибольшую погрешность (в процентах oт номинального значения шкалы) может дать прибор при измерениях.

Например, у вольтметра класса точности 2,5 рассчитанным на 50 В наибольшая абсолютная погрешность будет:

В

Если вольтметр при измерении показывает U = 40 В, то действительное значение измеряемой величины будет находится в пределах 40 ± 1,25 В, а относительная погрешность измерений составит:

При измерении этим же прибором напряжения U = 10 В относительная погрешность измерения составит:

,

то есть значительно больше.

Следовательно, относительная погрешность прибора в начале шкалы выше, чем в конце её.

В процессе эксплуатации под воздействием различных факторов могут изменятся физико-механические, электрические и магнитные свойства деталей и узлов приборов. Эти изменения влекут за собой появление погрешностей приборов. Потому электроизмерительные приборы периодически поверяют. Поверка прибора включает в себя внешний осмотр, установление механической и электрической исправности и определение приведенной погрешности.

Внешний осмотр включает в себя проверку состояния корпуса, стекла, шкалы, стрелки и корректора. Одним из способов поверки является метод сличения показаний поверяемого прибора с показаниями прибора, принятого за образцовый. Класс точности образцового прибора должен быть выше поверяемого не менее чем на 3 ступени (см. шкалу классов точности).

Так, для поверки прибора класса точности 1,5 нужно взять в качестве образцового, прибора, класса точности 0,5. Верхний предел образцового прибора не должен отличатся от поверяемого более, чем на 25%. Поверка производится как при возрастании, так и при убывании измеряемой величины. Это делается для исключения систематической погрешности из-за неисправности подшипников. При исправных подшипниках расхождение показаний для одних и тех же значений шкалы не должны превышать величины допустимой погрешности, соответствующей классу точности данного прибора.

Систематическую погрешность можно устранить введением поправки. Поправка - это значение величины D, которое надо прибавить к измеренному значению А_изм с целью исключения систематической погрешности. Поправка равна абсолютной погрешности с обратным знаком: D=-DА. Таким образом действительное (истинное) значение величины равно:

А_Д = А_изм+D.

Дата добавления: 2015-08-17