Вивчення конструкції, принципу дії, параметрів і характеристик приладів електровимірювань

                                              Лабораторна робота  № 2

      ВИВЧЕННЯ  КОНСТРУКЦІЇ, ПРИНЦИПУ ДІЇ, ПАРАМЕТРІВ І  ХАРАКТЕРИСТИК ПРИЛАДІВ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАНЬ 

Мета: ознайомитися з конструкцією, принципом дії, параметрами і характеристиками приладів електровимірювань.

     Основні відомості

     Прилад – засіб виміру, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття.

     Функція (рівняння) перетворення – функціональна залежність між вихідний величиною у і вхідний величиною х.

     Чутливість – відношення зміни вихідної величини dy до зміни вхідної величини, що викликала її dx:

                                                                  S=dy/dx 

        

      Вимірювальний ланцюг – здійснює перетворення вимірюваної електричної величини Х  в електричну X', зручну для виміру (опір      струм). Вимірювальний ланцюг містить резистори і інші елементи, необхідні для необхідного перетворення вимірюваної величини.

      Вимірювальний механізм перетворює електричну величину Х' в механічне переміщення (кутове або лінійне) ά, значення якого відлічується за шкалою відлікового пристрою, зазвичай проградуйованого в одиницях вимірюваної величини.

      До  загальних вузлів і деталей відносяться: корпус, шкала, покажчик, деталі для установки рухливої частини, заспокоювач, пристрій для створення протидіючого моменту, коректор.

      Корпус  – захищає вимірювальний механізм.

      Покажчик  – механічний або світловий. Механічний – легка стрілка із скла або алюмінію. Світловий – промінь, що відбивається від легкого люстерка, укріпленого на рухливій частині вимірювального механізму, і падаючий потім на шкалу.

      Деталі  для установки  рухливої частини – забезпечують вільне обертання останньою; три способи установки: на кернах, на розтяжках, на підвісі.

      Заспокоювач призначений для того, щоб стрілка не випробовувала дуже довгих коливань (повітря, рідинні і магнітоїндукционниє заспокоювачі).

        Коректор – для установки стрілки в нульове положення. 

1. Магнітоелектричні вимірювальні механізми.

У магнітоелектричних вимірювальних механізмах момент, що обертає, створюється в результаті взаємодії магнітного поля постійного магніта і магнітного поля провідника із струмом, що виконується зазвичай у вигляді котушки – рамки.

На рис. показана рухлива рамка вимірювального механізму, що знаходиться в рівномірному радіальному магнітному полі. При протіканні по обмотці рамки струму виникають сили F, які прагнуть обернути рамку так, щоб її плоскість стала перпендикулярною до напряму O₁ – O₂. При рівності моментів, рухлива частина зупиняється.

 
 
 
 
 

                       Рисунок  1.1 – Рухлива котушка в радіальному магнітному полі

Для здобуття залежності між кутом відхилення і струмом  в рамці звернемося до рівняння 1.1

                                                                                                                      (1.1)

Де  Ф — потік, що зчіплюється з обмоткою рамки;

        I — струм в обмотці рамки. 

Достоїнства приприборів:

• Магнітоелектричні прилади належать до найбільш точних. Вони виготовляються аж до класу точності 0,1.
• Наявність рівномірної шкали зменшує погрішності градуювання і відліку.
• Завдяки сильному власному магнітному полю вплив сторонніх полів на свідчення приладів вельми трохи. Зовнішні електричні поля на роботу приладів практично не впливають.
• Висока чутливість. Відомі магнітоелектричні мікроамперметри із струмом повного відхилення 0,1 мкА.

Завдяки цим достоїнствам магнітоелектричні прилади застосовують з різними перетворювачами змінного струму в постійний для вимірів  в ланцюгах змінного струму.

Недоліки приборів:

• Декілька складніша і дорожча конструкція, ніж, наприклад, конструкція електромагнітних приладів.
• Невисока перевантажувальна здатність (при перевантаженні зазвичай перегорають токоподводящие пружинки або розтяжки для створення протидіючого моменту)
• Можливість вживання як амперметри і вольтметри лише для вимірів в ланцюгах постійного струму (за відсутності перетворювачів)

     Магнітоелектричні вимірювальні механізми з механічним протидіючим моментом використовуються головним чином в амперметрах, вольтметрах і гальванометрах, а також в деяких типах омметрів. 
 

2. Електромагнітні вимірювальні механізми.

Момент, що обертає, в електромагнітних вимірювальних  механізмах виникає в результаті взаємодії магнітного поля котушки, по обмотці якої протікає вимірюваний  струм, з одним або декількома феромагнітними сердечниками, що зазвичай становлять рухливу частину механізму.

     Вираження для обертаючого моменту, буде:                 

                                                                                                 (2.1)

де L — індуктивність котушки, залежна від положення сердечника;

     I — струм в обмотці.

     В даний час найбільше вживання отримали три конструкції вимірювальних  механізмів:

     1) з плоскою котушкою;

     2) з круглою котушкою; 

           3) із замкнутим магнітопроводом

 
 
 
 
 
 

 

     Рисунок 2.1 – Електромагнітний вимірювальний

     механізм  із замкнутим магнітопроводом 

     На  рис. 2.1 показаний вимірювальний механізм з плоскою котушкою. Котушка I намотується мідним дротом і має повітряний зазор, в який може входити ексцентрично укріплений на осі сердечник 2.

     Матеріал  сердечника повинен володіти високою  магнітною проникністю, що сприяє збільшенню моменту, що обертає, при заданому значенні вжитку потужності приладом, і мінімальною  коерцитівной силою, що зменшує погрішність  від гістерезису. Зазвичай матеріалом сердечника в щитових приладах служить  електротехнічна (крем'яниста) сталь, а  в точних переносних приладах —  пермалой.

     Для заспокоєння руху рухливої частини  в електромагнітних вимірювальних  механізмах застосовують зазвичай повітряні  або рідинні заспокоювачі. На рис. 2.1 представлений вимірювальний механізм з повітряним заспокоювачем, що складається з камери 4 і крила 5. 
 
 
 

Недоліки приборів:

• Сильний вплив зовнішніх магнітних полів. Це пояснюється тим, що власне магнітне поле невелике. Для захисту від зовнішніх полів застосовуються в основному два способи — астатизування і екранування.
• Шкала електромагнітного приладу нерівномірна, тобто між вимірюваною величиною (струмом) і кутом відхилення немає прямо пропорційної залежності.

         

            Достоїнства приприборів: 

• Підвищена чутливість, зменшення погрішності від впливу зовнішніх магнітних полів.
• Можливість відносно просто міняти характер шкали шляхом зміни положення лівого полюсного наконечника відносно правого. Зазвичай у вимірювальних механізмах із замкнутим магнітопроводом застосовують розтяжки і рідинне заспокоєння.
• Електромагнітні прилади можуть застосовуватися для вимірів в ланцюгах постійного і змінного струму.
• Здатність витримувати великі перевантаження

 

На закінчення відзначимо, що по своєму пристрою електромагнітні  вимірювальні механізми є найпростішими  серед вимірювальних механізмів приладів різних груп.  

3. Електродинамічні  вимірювальні механізми.

У електродинамічних  вимірювальних механізмах момент, що обертає, виникає в результаті взаємодії  магнітних полів нерухомою і  рухливою – котушок із струмами

(рис. 3.1).

       Нерухома котушка I зазвичай складається з двох однакових частин, розділених повітряним зазором. Від відстані між котушками залежить до деякої міри конфігурація магнітного поля, що, як побачимо далі, впливає на характер шкали. Нерухомі котушки виготовляють з мідного дроту намотуванням його на ізоляційний каркас. Рухлива котушка 2 виконується зазвичай безкаркасною з мідного або алюмінієвого дроту. Для

включення обмотки  рухливої котушки в ланцюг вимірюваного струму використовуються пружинки або  розтяжки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 3.1 – Схема пристрою елктродінамічеського

      вимірювального механізму

     Визначимо момент електродинамічного вимірювального механізму, що обертає. Електромагнітна  енергія двох контурів із струмами: 

                                                        

Індуктивності котушок  не залежать від кута повороту, тому: 

                                                              

Достоїнства приприборів:

• Прилади електродинамічної системи можуть застосовуватися для вимірів в ланцюгах як змінного, так і постійного струму.
• Електродинамічні прилади виготовляються головним чином у вигляді переносних приладів високої точності — класів 0,1; 0,2 і 0,5

Недоліки приборів:

• Власне магнітне поле електродинамічних вимірювальних механізмів невелике, тому для захисту від впливу зовнішніх полів застосовуються екранування і астатизування.
• Потрібна міра заспокоєння забезпечується повітрям або магнітоїндукционним заспокоювачем.
• Недоліком електродинамічних приладів є великий вжиток потужності.
• Висока вартість виготовлення.
• Електродинамічні прилади погано переносять механічні дії — удари, трясіння і вібрацію.

 
 

4. Електростатичні вимірювальні механізми.

  У електростатичних  вимірювальних механізмах момент, що обертає, виникає в результаті  взаємодії двох систем заряджених  провідників, одна з яких є  рухливою. З принципу роботи електростатичних вимірювальних механізмів виходить, що безпосередньо вони можуть вимірювати лише напругу, тобто застосовуватися у вольтметрах. У електростатичних вимірювальних механізмах відхилення рухливої частини пов'язане із зміною ємкості. В даний час практичне вживання знаходять електростатичні механізми, в яких зміна ємкості відбувається або унаслідок зміни активній площі пластин або при зміні відстані між пластинами.

 
 
 

                                                            
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Енергія електричного поля системи заряджених тіл:

                                                              

де С — ємкість системи заряджених тіл;

     U — напруга, прикладена до них.