Електромеханічні вимірювальні прилади

Механізми електродинамічної  системи

Принцип дії електродинамічного вимірювального приладу заснований на механічній взаємодії двох провідників при протіканні по них електричного струму. Електродинамічний прилад складається з вимірювального перетворювача, що перетворює вимірювану величину в змінний або постійний струм, і вимірювального механізму електродинамічної системи.

Електродинамічний вимірювальний  прилад  (1, 2 - нерухома і рухома котушки; 3 - вісь; 4 - пружина; 5 - стрілка; 6 - шкала.)

Найбільш поширені електродинамічні прилади з рухомою котушкою, усередині  якої на осі зі стрілкою розташована  рухома котушка. Обертаючий момент на осі виникає в результаті взаємодії  струмів в обмотках котушок 1 і 2 і  пропорційний добуткові діючих значень  цих струмів. Врівноважує момент створює пружина, з якою пов'язана  вісь. При рівності моментів стрілка зупиняється. 

Електродинамічні прилади  є найбільш точними приладами  для визначення діючих значень струму і напруги в ланцюгах змінного і постійного струму. При послідовному з'єднанні обмоток котушок кут  повороту стрілки пропорційний квадрату вимірюваної величини. Таке включення  обмоток застосовується в електродинамічному приладі для виміру напруги й сили струму (вольтметри і амперметри). Електродинамічні вимірювальні механізми використовують також для вимірювання потужності (ватметри). При цьому через нерухому котушку пропускають струм, пропорційний струму, а через рухому - струм, пропорційний напрузі в вимірюваної ланцюга. 

Показання приладу пропорційні  активному або реактивному значенню електричної потужності. У разі виконання  електродинамічних механізмів у  вигляді логометрів їх застосовують як частотоміри, фазометри і фарадометри. 

Амперметри. Для виміру сили струму обидві котушки з'єднують паралельно чи послідовно. При цьому той самий струм протікає по обох котушках; для амперметра рівняння відхилення покажчика має наступний вид:

, де де М_1,2 - взаємна індуктивність між котушками, S_І — чутливість по струму.

Очевидно, що при рівнобіжному з'єднанні котушок межі виміру струму будуть більше, ніж при послідовному.

Щитові амперметри безпосереднього  включення випускають з межами виміру від 1 до 200 А. Розширення меж (до б kA ) здійснюється за допомогою вимірювальних трансформаторів струму. Переносні амперметри мають шкали від 5 мА до 10 А.

Вольтметри. Для виміру напруги обидві котушки з'єднують послідовно. Рівняння відхилення покажчика для вольтметра прийме вид

, де S_U — чутливість по напрузі; R_K — опір обмоток котушок.

Для розширення меж виміру постійної напруги застосовують додатковий опір. Тоді в знаменник  рівняння замість R_K²  підставляють R_v² = (R_K + R_Д)². При вимірі перемінної напруги в ланцюзі вольтметра діє повний опір  Z = √ (R_K² + Х_К²), де R_к і Х_к - активний і реактивний опори котушок. На частотах вище 500 Гц реактивний опір X_к виявляється досить помітно і тому градуювання шкали порушується.

Щитові вольтметри безпосереднього  включення випускаються зі шкалами  до 450 В, переносні — від 7,5 до 600 В. Для розширення меж виміру аж до 30 кВ застосовують вимірювальні трансформатори напруги.

Ватметри. Для виміру потужності одна котушка включається послідовно, а друга паралельно навантаженню. Рівняння відхилення покажчика для ватметра здобуває наступний вид:

  - для постійного струму;

 - для перемінного струму;

де S_p — чутливість по потужності; Р — активна потужність.

Щитові ватметри випускають звичайно з межами виміру від 15 до 3000 Вт, переносні - до 1,5 кВт. Застосовуючи одночасно трансформатори струму і  напруги, межі можна розширити до будь-яких потрібних значень.

Електродинамічні прилади  виготовляють переносними приладами  високим класом точності: 0,1; 0,2; 0,5. Різновид електродинамічних приладів - феродинамічний прилад, в якому для посилення магнітного поля нерухомої котушки застосовують магнітопровід з феромагнітного матеріалу. Такі прилади призначаються для роботи в умовах вібрації, трясіння і ударів. Клас точності феродинаміческий приладів 1,5 і 2,5.

Механізми феродинамічної системи

У вимірювальних механізмах феродинамічної системи обертаючий момент створюється завдяки взаємодії струму, що протікає в рухомій рамці, з магнітним потоком, створюваним нерухомою обмоткою 3, розміщеною на феромагнітному осерді. Активні сторони рамки 1 розміщено у вузькій щілині між полюсами магнітопроводу 4 і циліндричним сталевим осердям 2, яке є непорушним і міститься всередині рамки. Струм до рамки підводиться через спіральні пружини 5.

Завдяки малому магнітному опорові магнітного кола (бо на більшій  частині магнітного кола магнітний  потік проходить по феромагнітному осердю) магніторушійна сила, що створюється нерухомою обмоткою 3, може бути відносно невеликою. Також незначною буде і потужність, споживана вимірювальним приладом, де застосовано подібний вимірювальний механізм.

Вимірювальний механізм феродинамічної системи

Щоб прилади з подібним механізмом можна було застосовувати як на постійному, так і на змінному струмі, феромагнітний магнітопровід 4 виконано шихтованим із тонких сталевих пластин. Циліндричне осердя 2 також виконують із тонких сталевих дисків. Однак наявність сердечника приводить до збільшення погрішності приладу.

Феродинамічні прилади, виконані на основі подібних вимірювальних механізмів, можуть мати невеликі розміри. Їх покази практично  не залежать від впливу зовнішніх  магнітних полів. Але щоб вони успішно працювали на змінному струмі, треба, щоб сталеві пластини, які  застосовують у вимірювальних механізмах, мали невелику коерцитивну силу та малу потужність втрат при змінному струмі в обмотках.

На основі феродинамічних вимірювальних  механізмів виробляють ватметри, вольтметри й амперметри.

У зв'язку з тим, що струм  до обмотки рамки подається по тонких пружинках, у випадках, коли цей вимірювальний механізм застосовують у амперметрах, необхідне використання внутрішніх шунтів, якими проходить більша частина вимірюваного струму, а до рамки відгалужується лише незначна його частина, допустима для протікання пружинами без істотного їх нагрівання.

Механізми електростатичної  системи

Принцип дії електростатичного приладу заснований на механічному взаємодії електродів, що несуть різнойменні електричні заряди. У електростатичному приладі вимірювана величина перетворюється в напругу змінного або постійного струму, яке визначається електростатичним вимірювальним механізмом.

Електростатичні вимірювальні прилади 

(1 - рухливий електрод; 2 - нерухомий електрод; 3 - вісь; 4 - пружина; 5 - стрілка; 6 - шкала.)

Вимірюється напруга підводиться  до рухомого електроду, укріпленого  на осі, пов'язаної зі стрілкою, і до ізольованого від нього нерухомого електроду. В результаті взаємодії  зарядів, що виникають на електродах, на осі з'являється момент, що обертає, пропорційний квадрату прикладеної  напруги. 

Діюча на вісь пружина створює  момент, протидіючий обертального моменту  і пропорційний куту повороту осі  рухомого електроду. При взаємодії  обертає і протидіє моментів стрілка  вимірювального механізму повертається на кут, пропорційний квадрату поданої  на електроди напруги. 

Шкала, градуйованих в одиницях вимірюваних величин, виходить нерівномірною, виконується часто зі світловим  покажчиком. Електростатичні прилади  використовують зазвичай для виміру напруг змінного або постійного струму, в тому числі високочастотних. 

Для цих приладів характерно мале споживання енергії і незалежність свідчень від частоти. Вони схильні  до впливу зовнішніх електростатичних полів, яке ослабляється внутрішнім екрануванням приладу. Електростатичні  прилади випускаються найвищого  класу точності 0,005.

Механізми індукційної  системи

На відміну від електровимірювальних приладів інших систем, індукційні прилади можна застосовувати в ланцюгах змінного струму однієї певної частоти; незначні її зміни призводять до великих похибок показань. Сучасні індукційні прилади виготовляють як лічильники електричної енергії для однофазних і трифазних ланцюгів змінного струму промислової частоти (50 Гц).

За принципом дії індукційний  прилад аналогічний асинхронному електродвигуну: струм навантаження, проходячи по робочій ланцюга приладу, створює  біжить або обертове магнітне поле, яке індукує струм в рухливій частині і викликає її обертання.

За кількістю змінних  магнітних потоків, індукують струм  в рухомої частини приладу, розрізняють  однопоточні і багатопотокові індукційні прилади. Принцип дії індукційних приладів заснований на механічному взаємодії змінних магнітних потоків з струмами індукуватися в рухомої частини приладу. У лічильнику один з потоків створюється електромагнітом, обмотка якого включена на напругу мережі (в якій вимірюється електроенергія). Цей потік перетинає рухливий алюмінієвий диск і індукує в ньому вихрові струми, замикаються навколо сліду полюса електромагніту напруги. Другий потік створюється електромагнітом, обмотка якого включена послідовно в ланцюг струму. Цей потік наводить у диску також вихрові струми, замикаються навколо сліду полюса свого електромагніту. Взаємодія потоку електромагніту напруги з наведеними струмами в диску потоком токового електромагніта з наведеними струмами в тому ж диску потоком електромагніту напруги, з іншого боку, викликають електромагнітні сили, спрямовані по хорді диска і створюють обертаючий момент. Такі лічильники називаються двухпоточними.  

Сучасні лічильники виконуються трьохпоточними, в яких подвоєний обертаючий момент створюється за рахунок того, що магнітний потік ланцюга струму двічі перетинає алюмінієвий диск. Схематичний пристрій однофазного індукційного трьохпоточного лічильника з тангенціальною магнітною системою зображено на рис.

Принцип дії індукційного лічильника

Магнітна система ланцюга  напруги S_u Ш-подібної форми розташована по хорді диска (звідси назва на відміну від радіальної системи, коли магнітна система ланцюга напруги U-подібної форми розташована по радіусу диска) і має відгалуження Ш - шунтуючі магнітний потік і протиполюс Р, магнітозв’язаний з бічними стрижнями сердечника. Під магнітною системою кола напруги розташована U-образна магнітна система струмового ланцюга S_i. 

У отворі між цими системами розташовується алюмінієвий рухомий диск Д. На середньому стрижні Ш - образного сердечника розташована багатовиткова котушка з тонкого проводу, що включається на напругу мережі U. Струм I_u, що проходить по цій обмотці, створює загальний магнітний потік Ф_заг кола напруги, невелика частина якого Ф_u, названа робочим потоком, перетинає диск і через протиполюс Р замикається на бічні стрижні Ш-образного сердечника. Велика частина потоку Ф_заг, не перетинаючи диска, замикається через магнітні шунти Ш, розгалужуючись на дві частини ½ Ф_ш. Цей неробочий потік Ф_ш, як буде показано нижче, необхідний для створення необхідного зсуву між потоками Ф_u і Ф_i (внутрішнього кута лічильника). На нижній магнітній системі S_i розташовується маловиткова котушка з товстого дроту, що включається послідовно в ланцюг струму навантаження I. Магнітний потік Ф_i двічі перетинає алюмінієвий диск і замикається по магнітному шунту Ш верхнього сердечника і частково через його бічні стрижні. Незначна неробоча частина потоку Ф_i замикається, не перетинаючи диск, через протиполюс Р. Ці складові потоку Ф_i на малюнку не показані. Такі механізми, хоча і прості по конструкції, але у вимірювальній техніці в даний час не застосовуються через мале значення обертаючого моменту.