Лекція 2. Електровимірювальні прилади

Узагальнена структурна схема вимірювальних приладів з електромеханічними перетворювачами (електромеханічних приладів) наведена на рис. 2.2.

На рис. 2.2. прийняті позначення:

x - вимірювана величина;

y - проміжна електрична величина;

α - кут переміщення рухомої частини приладу;

ВК – вимірювальне коло приладу, в якому реалізується перетворення однієї електричної величини у другу електричну величину;

ВМ – вимірювальний механізм, призначений для утворення обертового моменту; складається з рухомої і нерухомої частин.

Рис. 2.2. Узагальнена структурна схема електромеханічних приладів

 

У вимірювальному колі приладу реалізується перетворення

.

У вимірювальному механізмі приладу реалізується перетворення

.

Вимірювальний механізм електромеханічних приладів складається з рухомої і нерухомої частин. Одна або обидві вказані частини містять обмотки і відповідні затискачі, через які до приладу підводиться струм або напруга.

Струм або напруга спричиняють утворення механічних сил, які діють на рухому частину і викликають її переміщення, пропорційне значенню вимірюваної величини.

Існуючі вимірювальні системи розділяють на види в залежності від фізичних явищ, на яких спирається механізм утворення обертового моменту. Усього на сьогодні існує 12 систем електромеханічних приладів.

В табл. 2.1 наведені найпоширеніші з існуючих видів вимірювальних систем, їх скорочена назва та умовне позначення. зазначимо, що умовне позначення виду вимірювальної системи приладу зазвичай вказується на його шкалі.

Таблиця 2.1.

Магнітоелектричні прилади

Магнітоелектричні прилади характеризуються наявністю магнітоелектричного вимірювального механізму. Такий механізм містить нерухомий постійний магніт і рухому котушку, крізь яку в процесі вимірювання проходить струм.

Котушка виконана з намотаного на алюмінієвому каркасі тонкого мідного ізольованого проводу і закріплена на розтяжках (пружинах), які утворюють момент протидії й одночасно слугують струмопроводами. За умови, що обертовий момент М_об і момент протидії М_пр дорівнюють один одному, тобто за умови:

кут повороту котушки і механічно зв’язаного з нею вказівника (стрілки) буде пропорційним вимірюваному струму.

Постійний магніт, який входить до складу вимірювального механізму даного виду, утворює достатньо сильне магнітне поле, а тому навіть при малих значеннях вимірюваних струмів можна отримати достатній обертовий момент. Саме це і обумовлює високу чутливість приладів МЕ системи, їх низьку сприйнятливість до зовнішніх магнітних полів та достатньо мале власне споживання електроенергії.

Прилади МЕ системи характеризуються лінійною залежністю обертового моменту від струму, а тому стійкі до електричних перевантажень та мають рівномірну шкалу.

Для розширення межі вимірювання МЕ-приладів доводиться застосовувати додаткові резистори або шунти.

Прилади з МЕ вимірювальною системою застосовуються у колах постійного струму. При застосуванні в колах змінного струму (переважно у вихідних колах високочутливих приладів) використовуються відповідні випрямлячі.

Електромагнітні прилади

Електромагнітні прилади характеризуються наявністю електромагнітного вимірювального механізму, який в загальному випадку складається з нерухомої котушки (зазвичай плоска або кругла) і рухомого феромагнітного осердя.

Як результат взаємодії магнітного поля котушки, обмоткою якої тече вимірюваний струм, з феромагнітним осердям виникає обертовий момент, завдяки якому вказане осердя втягується всередину котушки.

При переміщенні осердя закручуються спіральні пружини, в наслідок чого виникає момент протидії. Функцію струмопроводу в приладах цієї системи вказані спіральні пружини не виконують. Для захисту від зовнішніх магнітних полів вимірювальний механізм ЕМ виду розміщується у феромагнітному екрані.

Обертовий момент, завдяки якому переміщується вказівник (стрілка) приладу, пропорційний квадрату величини (сили) струму, що протікає котушкою, а отже шкала ЕМ-приладів – нерівномірна, що є головним недоліком таких приладів. Тим не менш можливість застосування ЕМ-приладів в колах як постійного, так і змінного струму сприяє їх сьогоденному поширенню у різних галузях техніки і промисловості.

Робоче магнітне поле ЕМ приладу, яке збуджується вимірюваним струмом, відносно слабке, а тому чутливість таких приладів невелика; клас точності зазвичай не перевищує 1,5.

До недоліків ЕМ-приладів слід віднести і появу додаткової похибки при переході від вимірювань у колах змінного струму до вимірювань у колах постійного струму, яка обумовлена залишковою намагніченістю осердя.

В той же час, прилади ЕМ системи допускають великі перевантаження, адже пружини, які утворюють момент протидії, не є струмопроводами. Крім того, ці прилади простіші за конструкцією і дешевші за прилади МЕ системи.

Приладами з електромагнітною вимірювальною системою вимірюють переважно змінну напругу і струм при невеликих значеннях частоти.

Електродинамічні прилади

Вимірювальний механізм приладів електродинамічного виду містить дві котушки:

- нерухому, яка складається з двох однакових частин, розділених повітряним зазором,

- рухому, яка виконана без каркасу з мідного або алюмінієвого проводу.

Нерухома котушка виготовляється з мідного проводу, намотаного на ізоляційний каркас, який складається з двох частин. В повітряному зазорі нерухомої котушки розміщується рухома частина приладу.

Котушки ЕД приладів можуть виготовлятися як круглими, так і прямокутними. Для включення обмотки рухомої котушки в електричне коло використовуються пружини або розтяжки. Для «заспокоєння» рухомої частини застосовують магнітоіндукційні та повітряні «заспокійники».

При наявності в котушках струмів I₁ и I₂ виникають електромагнітні сили взаємодії, які намагаються повернути рухому котушку так щоб вісі обох котушок співпали (тобто щоб співпали магнітні потоки нерухомої і рухомої котушки). Момент протидії утворюється як наслідок закручування пружин.

За такої конструкції відхилення стрілки приладу пропорційне добутку струмів рухомої і нерухомої котушок, тобто

Отже, ЕД-прилади при відповідному включенні в електричне коло можна застосувати як ватметри.

В колах змінного струму ватметри з електродинамічною вимірювальною системою використовують для вимірювання активної потужності. 

Постійна ватметра визначається як:

де U_н, I_н - межа вимірювання напруги і струму у відповідних вітках електричного кола (в які саме й включені обмотки котушок ватметра);

α_max - максимальне значення (кількість ділень) шкали приладу.

 

За таких умов величина потужності становитиме:

При відповідних варіантах включення ЕД-прилади можна використати як амперметри і вольтметри. При цьому слід враховувати, що електродинамічні амперметри і вольтметри мають нерівномірну шкалу.

Прилади ЕД системи придатні для вимірювань у колах як змінного, так і постійного струму.

В ЕД-приладах вимірювані струми збуджують відносно слабке магнітне поле, тому власне споживання енергії такими приладами і їх чутливість до впливу зовнішніх магнітних полів відносно невеликі. За необхідністю для нівелювання впливу зовнішніх магнітних полів застосовують магнітні екрани, що, звичайно, ускладнює прилад і підвищує його вартість.

Прилади ЕД системи (особливо амперметри) надто чутливі до перенавантаження, мають високу вартість та обмежений частотний діапазон вимірюваних змінних струмів. Однак точність цих приладів може бути вельми високою – класу 0,2 і навіть 0,1, що пояснює їх застосування у системах різноманітного призначення.

Індукційні прилади

Індукційний вимірювальний механізм складається з одного або декількох нерухомих електромагнітів і рухомої частини, яка зазвичай виконується з алюмінію у вигляді диска. Електромагніти і диск розміщуються так, що змінні магнітні потоки виявляються направленими перпендикулярно плоскості вказаного диска. Ці магнітні потоки збуджують (індукують) в диску вихрові струми.

Взаємодія магнітних потоків електромагнітів зі струмами в диску приводить до утворення обертового моменту, який спричиняє переміщення (обертання) рухомої частини механізму (алюмінієвого диску). Електромагніти збуджуються вимірюваними змінними струмами. Величина обертового моменту залежить від величини струмів в котушках електромагнітів та кута зсуву фаз між цими струмами.

Гальмівний момент створюється за допомогою постійного магніту, який охоплює край алюмінієвого диска. Утворюваний гальмівний момент за таких умов буде пропорційний швидкості обертання диску і перешкоджатиме обертанню цього диску при відсутності в ньому вихрових струмів, обумовлених струмами електричного кола, до якого прилад включений.

Індукційні прилади використовують для вимірювання потужності й енергії в колах змінного струму.

Такі прилади характеризуються високою точністю і чутливістю, однак, складністю конструкції і високою вартістю.

Активну енергію в колах змінного струму вимірюють індукційними лічильниками Схема включення таких лічильників аналогічно схемі включення ватметра. При цьому величина активної енергії  розраховується як

Де C – постійна лічильника;

n – кількість обертів диска за проміжок часу t.

 

Постійна лічильника C дорівнює активній енергії, яка відповідає одному оберту диска. Тобто

де P - активна потужність, що виділяється в електричному колі;

t - час, протягом якого в даному електричному колі виділяється активна потужність Р.

 

Активна енергія в системах енергозбереження вимірюється за допомогою двох- і трьохелементних лічильників, включених через вимірювальні трансформатори струму і напруги. Застосування трансформаторів обумовлене необхідністю узгодження параметрів електричної системи і лічильника.

Реактивну енергію вимірюють спеціальними індукційними лічильниками реактивної енергії.