Электромагнитные измерительные приборы принцип действия

Электромагнитные измерительные приборы принцип действия

Устройство и принцип действия электромагнитного ИМ

Принцип действия электромагнитного измерительного механизма основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого проводником с током, и ферромагнитного сердечника.

В настоящее время чаще других применяют электромагнитные измерительные механизмы с прямоугольным и круглыми намагничивающими катушками, призматическими и цилиндрическими сердечниками. На рис. 4.6 показана конструкция электромагнитного измерительного механизма втяжного действия.

Рис. 4.7. Устройство электромагнитного механизма

При прохождении тока I по намагничивающей катушке 1 создается магнитное поле. Ферромагнитный сердечник 2, закрепленный на оси 3, при этом стремится расположиться в месте с наибольшей напряженностью поля, т. е. втягивается в зазор катушки. В электромагнитном приборе с осью 3 связана стрелка 4, которая перемещается по шкале 5. Электромагнитная энергия, создаваемая катушкой с током, определяется следующим образом: We = LI 2 /2, где L — индуктивность катушки 1, зависящая от положения ферромагнитного сердечника 2.

Выражение для вращающего момента представляется как

(4.9)

При создании противодействующего момента с помощью пружинок получим уравнение преобразования электромагнитного прибора

(4.10)

следует, что угол отклонения подвижной части электромагнитного механизма не зависит от направления тока, и эти ИМ могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. В цепи переменного тока угол отклонения подвижной части ИМ зависит от квадрата действующего значения тока.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы на основе электромагнитного измерительного механизма применяются для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Наиболее просто реализуются однопредельные электромагнитные амперметры и миллиамперметры. В однопредельном амперметре катушка включается непосредственно в цепь тока, как показано на рис. 4.8 а, в вольтметре последовательно с катушкой включается добавочный резистор (рис. 4.8 б).

Рис. 4.8. Схема однопредельного электромагнитного амперметра (а) и вольтметра (б)

Рис. 4.9. Схема трехпредельного электромагнитного амперметра

В многопредельных амперметрах рабочую катушку выполняют из нескольких секций, которые соединяются между собой с помощью переключателя различным образом. На рис. 4.9 показана схема трехпредельного амперметра. В многопредельных вольтметрах последовательно включаются несколько добавочных резисторов, которые переключаются в зависимости от предела.

Промышленностью выпускаются электромагнитные амперметры с номинальным током от долей ампера до двухсот ампер. Большое распространение получили щитовые амперметры и вольтметры переменного тока промышленной частоты класса точности 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они могут использоваться на повышенных частотах (амперметры до 8 кГц). Лабораторные приборы выпускаются классов точности 0,5 и 1,0. Кроме рассмотренных измерительных механизмов, применяют также и электромагнитные логометрические механизмы.

Электромагнитные приборы обладают рядом достоинств, к которым можно отнести:

1) возможность использования как на постоянном, так и на переменном токе;

2) простоту конструкции и дешевизну;

3) надежность в эксплуатации;

4) широкий диапазон пределов измерений;

5) способность выдерживать большие перегрузки и др.

Недостатками являются:

1) большое собственное потребление энергии;

2) малая чувствительность;

3) сильное влияние внешних магнитных полей;

4) неравномерность шкалы.

Следует отметить, что изменяя форму сердечника и его расположение в катушке, можно получить практически равномерную шкалу, начиная с 20-25 % верхнего предела измеряемой величины.

Погрешности электромагнитных приборов

Погрешности электромагнитных приборов обусловлены следующими причинами: трением в опорах, гистерезисом материала сердечника, нагревом рабочей катушки, проходящим по ней током, изменением температуры окружающей среды и др. Рассмотрим погрешности, характерные для электромагнитных приборов.

Погрешность от гистерезиса материала сердечников проявляется при работе на постоянном токе.

Погрешность от нагрева рабочей катушки проходящим по ней током обусловлена изменением сопротивления катушки и пружин.

Температурная погрешность обусловлена изменением температуры окружающей среды и характерна для вольтметров, и определяется изменением сопротивления цепи катушки и упругости пружин (или растяжек).

Для компенсации температурной погрешности используются различные компенсационные схемы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент — человек, постоянно откладывающий неизбежность. 10873 — | 7400 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Устройство приборов электромагнитной системы. Принцип работы основан на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки, с подвижным железным сердечником, помещённом в этом магнитном поле. Прибор состоит из (см. рис. 3) прямоугольной катушки А, внутрь которой при наличии в ней тока втягивается ферромагнитный магнитопровод (сердечник, изготовленный из мягкого железа) В в виде фигурной пластинки, укрепленной эксцентрично на оси со стрелкой С. Противодействующий момент создается спиральной пружиной D.

Принцип действия.Ток, протекающий по катушке А образует внутри нее магнитное поле, под действием которого железный сердечник, поворачиваясь вокруг оси, втягивается внутрь катушки. При увеличении тока возрастает индукция в щели катушки и увеличивается намагничивание железного сердечника.

Механическая сила магнитного поля в направлении x равна производной от энергии по линейному перемещению:

Читайте также:  Когда можно сжигать мусор на дачных участках

(14)

Если магнитопровод катушки занимал не среднее, не симметричное положение относительно катушки, то равнодействующая всех механических сил магнитного поля стремится «втянуть» его в центр, середину катушки, так, чтобы он занимал симметричное положение. Такое положение сердечника обеспечивает наибольшую магнитную проницаемость среды и соответствует максимальному значению индуктивности катушки. Увеличение энергии магнитного поля происходит при этом за счет электрической энергии внешнего источника.

Если ток в обмотке катушки поддерживается за счет внешнего источника электрической энергии постоянным, то вращающий момент равен:

, (15)

где L – индуктивность неподвижной обмотки, увеличивающаяся при втягивании фигурной пластинки.

Вращающий момент за счет магнитного поля обмотки уравновешивается противодействием пружины:

(16)

Приравниваем формулы (15) и (16) и получаем:

(17)

Между углом отклонения стрелки и величиной тока наблюдается квад-ратичная зависимость:

(18)

Следовательно, шкала таких приборов неравномерна.

Основные свойства и область применения. Приборы электромагнитной системы используются в основном для измерения переменного тока, хотя могут применяться и для измерения постоянного тока, а также для измерения напряжения промышленной частоты.

Механические силы магнитного поля используются в мощных грузоподъемных электромагнитах, в тормозах, электромагнитных муфтах, соединяющих вращающиеся механизмы, и других устройствах.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов электродинамической системы.Работа электродинамического ИМ основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной К1и подвижной К2 катушек с токами (рис. 4). Неподвижную катушку 1 обычно выполняют из двух частей; между ними проходит ось, на которой крепят подвижную катушку 2; угол поворота ее регистрирует стрелка 3. Спиральная пружинка 4 служит для создания проти-водействующего момента и подведения тока к подвижной катушке. Для уменьшения времени успокоения применяют воздуный успокоитель (на рисунке не показан). Катушки электродинамической системы могут иметь круглую или прямоугольную форму.

Шкала прибора неравномерная, квадратичная. Потребляемый ток и внутреннее сопротивление зависят от конструкции прибора.

Напряженность собственного магнитного поля электродинамического ИМ невелика, поэтому внешние магнитные поля (в частности, магнитное поле Земли) заметно влияют на его показания. Для уменьшения этого влияния применяют экранирование или астазирование.

При экранировании измерительный механизм помещают внутри одинарного или двойного экрана из ферромагнитного материала. При астазировании измерительный механизм выполняют из двух неподвижных и двух подвижных катушек. Подвижные катушки крепят на общей оси. При соответствующих направлениях токов в катушках вращающий момент не зависит от внешнего магнитного поля. Однако астатические ИМ сравнительно дороги и применяются редко.

Принцип действия. В измерительном приборе электродинамической системы электромагнитная энергия преобразуется в механическое перемещение его подвижной части. Изменение электромагнитной энергии равно работе сил поля:

(19)

При угловом перемещении подвижной части:

(20)

(21)

Полученное соотношение называют обобщенным выражением вращающего момента. Оно справедливо для всех электромеханических измерительных приборов (см. вывод уравнения преобразования или уравнения шкалы в разделе «Моменты, действующие на подвижную часть ИМ»).

Дальнейший вывод относится к электродинамическому измерительному прибору. Мгновенное значение электромагнитной энергии системы, состоящей из двух катушек равно:

, (22)

где Lв – индуктивность неподвижной катушки (катушки возбуждения); Lр — индуктивность подвижной катушки (рамки); М – взаимная индуктивность катушек; iв и iр – мгновенные значения соответствующих токов.

При повороте рамки меняется только взаимная индуктивность. Поэтому

(23)

Вращательный момент для рассматриваемого механизма:

(24)

При установившемся отклонении момент. Определяемый выражением (24), уравновешивается противодействующим моментом:

Из выражений (24) и (25) следует:

(26)

Угол поворота подвижной катушки К2 зависит от величины тока, проходящего по катушкам.

Основные свойства и область применения. Приборы электродинамической системы применяют для измерений в цепях переменного тока. На основе этой системы разработаны амперметры, вольтметры и ваттметры высоких классов точности.

Приборы электродинамической системы могут применяться для измерения электрических величин в цепях как постоянного, так и переменного тока, но наиболее широко используют их для измерения тока и напряжения низкой (промышленной) частоты, а также для измерения мощности.

Электродинамические амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое (действующее) значение тока или напряжения.

В электродинамическом ИМ отсутствуют ферромагнитные элементы. Это устраняет погрешности, связанные с нелинейностью и нестабильностью свойств ферромагнетиков. Поэтому электродинамические приборы являются наиболее точными среди других приборов переменного тока (класс точности 0,5; 0,2; 0,1). Однако столь малая погрешность имеет место лишь на низких частотах. На повышенных частотах появляется погрешность, обусловленная влиянием индуктивных сопротивлений катушек.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов электростатической системы. Пластины конденсатора могут быть не только неподвижны, но и перемещаться относительно друг друга (рис. 5).

При относительном линейном перемещении пластин работа может совершаться либо за счет внешнего источника электрической энергии, подсоединенного к выводам пластин, либо за счет энергии электрического поля предварительно заряженных пластин, либо за счет стороннего источника неэлектрической энергии, механически перемещающего пластины.

Если конденсатор отключен от внешних источников энергии, то механическая работа может совершаться только за счет предварительно накопленной энергии электрического поля. При этом энергия электрического поля может только уменьшаться. Это уменьшение равномеханической работе по перемещению пластин на расстояние dx:

Читайте также:  Микросхема под микроскопом фото

Отсюда следует,что механическая сила электрического поля

(28)

равна производной от энергии по линейному перемещению.

Принцип действия.Измеряемое напряжение подводится одним полюсом к неподвижным пластинам, а другим к подвижным, которые втягиваются при этом внутрь неподвижных.

Как известно из механики, механический момент равен производной от энергии по углу поворота:

(29)

Этот момент стремится так повернуть пластины относительно друг друг друга, чтобы увеличить эквивалентную емкость системы этих пластин.

Если угловое движение пластин совершается только за счет энергии электрического поля емкости, то это движение при неизменном заряде q конденсатора происходит до тех пор, пока емкость не станет возможно наибольшей при данной конфигурации пластин. Энергия электрического поля при этом будет минимальной. Механический момент при q = const

(30)

пропорционален производной .

Механический момент в электрическом поле может создаваться и при поддержании напряжения на обкладках конденсатора постоянным за счет внешнего источника электрической энергии.

Механический момент при U = const.

(31)

пропорционален производной от емкости по углу и квадрату напряжения.

Угловое движение пластин при этом приводит к увеличению и емкости, энергии электрического поля.

Механический момент электрического поля в точке равновесия уравновешивается моментом противодействующей пружины Mп (φ):

, (32)

где k – коэффициент жесткости пружины.

Тогда из равенства вращающего и противодействующего моментов получим следующую зависимость:

(33)

Угол поворота стрелки зависит от величины приложенного напряжения.

Прибор практически не потребляет мощности. Шкала сжата вначале и почти равномерна в остальной части.

Основные свойства и область применения. Применяется для измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного тока.

ТЕПЛОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Устройство приборов тепловой системы. Туго натянутая тонкая платино-иридиевая нить Н нагревается проходящим через нее измеряемым током. Вызываемое этим удлинение нити влечет за собой вращение оси стрелки.

Принцип действия тепловой системы основан на изменении длины проводника при его нагреве. Шкала прибора неравномерная, квадратичная. Сопротивление нити порядка 0,1 Ом. Система невосприимчива к внешним мешающим полям. Показания зависят от окружающей температуры.

Основные свойства и область применения. Применяется для грубых измерений токов высокой частоты.

ПРИБОРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Устройство приборов и принцип действия термоэлектрической системы.Измеряемый ток проходит через нить Н и подогревает место спая термопары, состоящей из стальной С и константановой К проволок. Между этими проволоками возникает термо – э. д. с., которая создает постоянный ток через магнитоэлектрический прибор П. Прибор градуируется на значения переменного тока, протекающего через нить Н. Шкала прибора неравномерная, близкая к квадратичной.

Основные свойства и область применения. Точность прибора невысокая: порядка 2,5% на технической частоте и порядка 5% на высокой частоте. Применяется для измерения переменных токов низкой и высокой частоты.

Амперметр

Амперметрами называют приборы, служащие для измерения силы тока. При измерениях амперметр включают в цепь последовательно. Слабые токи измеряются обычно магнитоэлектрическими амперметрами с высокой чувствительностью. Такие приборы называются миллиамперметрами (токи до 10 -3 А ) и микроамперметрами ( токи до 10 — 6 А ).

Вольтметр

Вольтметрами называют приборы служащие для измерения напряжения» При измерениях вольтметр включают параллельно тому участку цепи, на концах которого хотят измерить разность потенциалов.

Гальванометры

Гальванометрами называют чувствительные приборы, служащие для измерения малых токов, напряжений и количеств электричества, ими можно измерить токи до 10 — 11 А и напряжение до 10 – 8 В. Чаще всего встречаются гальванометры магнитоэлектрической системы.

Измерительный прибор, электрическую схему которого можно переключить для изменения интервалов измеряемой величины, называется многопредельным. В многопредельные амперметры внутрь прибора вмонтирован шунт (рис. 6а). Шунтом называется сопротивление, включаемое в цепь параллельно амперметру, вследствии чего в амперметр ответвляется только часть измеряемого тока. Величину сопротивления, которое необходимо подключить в качестве шунта, можно рассчитать:

Пусть , где IA – ток, измеряемый амперметром,

I – ток, который необходимо измерить.

Согласно I правилу Кирхгофа: IШ = I — IA

Если контур не содержит э. д. с., то напряжение на амперметре и шунте будет одинаковым. По закону Ома:

IШ∙RШ = IА∙RА;

Отсюда:

Следовательно, чтобы измерить амперметром ток в «n» раз больший максимально возможного для данного прибора, необходимо взять сопротивление шунта в (n – 1) раз меньше сопротивления амперметра.

В многопредельные вольтметры вмонтированы добавочные сопротивления, которые включаются последовательно с вольтметром. Величина необходимого дополнительного сопротивления рассчитывается следующим образом (см. схему, рис. 6б):

, где UВ – напряжение, измеряемое вольтметром,

U – напряжение, которое нужно измерить.

При последовательном соединении

;

;

Таким образом, чтобы измерить вольтметром напряжение в «n» раз большее максимально возможного для данного прибора, необходимо взять добавочное сопротивление в (n – 1) раз большее сопротивления вольтметра.

Читайте также:  Turtle wax scratch remover

Пользуются многопредельными приборами так, чтобы выбранная шкала измерений давала наименьшую погрешность ; многопредельные приборы могут иметь одну или несколько шкал, поэтому приходиться делать пересчет для каждого предела и каждой шкалы. т.е. находить цену деления каждой шкалы.

1. Сделать описание каждого измерительного прибора (название, система, класс точности и т.д. ), находящегося на лабораторном столе.

2. По формулам (11) и (12) вычислить чувствительность и цену деления каждого прибора. Для многопредельных приборов определяют цену деления для всех диапазонов. Указать по какой шкале проводились измерения.

3. Собрать схему, которая имеется в методическом пособии (рис. 7) согласно базовой работе на лабораторном столе и найти значение измеряемых величин (тока и напряжения на реостате, катушке индуктивности, соленоиде, в зависимости от электрической схемы).

4. Определить измеряемую величину, ее абсолютную и относительную погрешности. Полученные в ходе работы результатаы записать в следующей форме:

где

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель и производство работы.

2. Измерительные приборы и их назначение. Классификация

3. Принцип действия электроизмерительных приборов различных систем: магнитоэлектрических, электромагнитных,электродинамических, электростатических, тепловых, термоэлектрических.

4. Абсолютная и относительная погрешности измерений. Класс точности прибора. Чувствительность прибора. Цена деления шкалы прибора.

5. Принцип работы гальванометра, амперметра, вольтметра. Единицы измерения заряда, силы тока, напряженности в СИ, их обозначение согласно

6.Способы изменения диапазонов измерения приборов. Расчет шунтов для амперметра и вольтметра.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.

Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой со стальным сердечником, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской или круглой катушкой.

Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока.

К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.

Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока.

16. Электродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и могущей поворачиваться.

Достоинствами электродинамических приборов являются пригодность для измерения постоянного и переменного тока, равномерность шкалы у ваттметров и относительно высокая точность по сравнению с другими приборами, предназначенными для измерений в цепях переменного тока.

К недостаткам относится сильное влияние внешних магнитных полей на точность измерений, чувствительность к перегрузкам и относительно высокая стоимость.

Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.

17.Ферродинамические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Работа ферродинамических приборов основана на том же принципе, что и приборов электродинамической системы. Для усиления магнитного поля в ферродинамическом измерительном механизме применен магнитопровод из ферромагнитного материала.

Ферродинамические приборы используют в качестве щитовых амперметров, ваттметров и вольтметров, работающих в условиях тряски и вибраций (например, на э. п. с. переменного тока). Кроме того, их применяют в качестве самопишущих приборов, так как они имеют значительный вращающий момент, преодолевающий трение в записывающих устройствах.

Достоинства: незначительное влияние внешних магнитных полей, большой вращающий момент, прочная конструкция, устойчивость к вибрациям и ударам, небольшая потребляемая мощность.

Недостатки: дополнительные погрешности вследствие влияния гистерезиса и вихревых токов, зависимость показаний от частоты, невысокая точность щитовых приборов – обычно 1,5; 2,0.

18 Электростатические измерительные приборы, принцип действия, достоинства, недостатки, область применения

Принцип действия: основой электростатических приборов является электростатический измерительный механизм с отсчетным устройством.

Они применяются, главным образом, для измерения напряжений переменного и постоянного тока. Находят применение также электрометры — электростатические приборы специальной конструкции, требующие вспомогательных источников питания. Электрометры обладают повышенной чувствительностью к напряжению.

Достоинствами электростатических приборов являются:

малое собственное потребление мощности, что объясняется малыми токами утечки и малыми диэлектрическими потерями в изоляции, малой емкостью измерительного механизма, большой диапазон измеряемых напряжений, возможность измерений на постоянном и на переменном токе, независимость показаний от частоты в широком диапазоне и формы измеряемого напряжения, независимость показаний от внешних магнитных полей.

К недостаткам электростатических приборов можно отнести:

малую чувствительность по напряжению, влияние внешних электростатических полей, что требует экранирование измерительного механизма, неравномерную шкалу (при соответствующем выборе формы подвижных и неподвижных электродов можно получить практически равномерную шкалу на участке от 15-25 % до 100 % от ее номинального значения).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector