Электроизмерительные приборы. Классификация электроизмерительных приборов

Электроизмерительные приборы позволяют измерять различные характеристики электрического тока и тех объектов, по которым проходит электрический ток. В настоящее время используется большое количество разнообразных электроизмерительных приборов. Поэтому важной частью изучения электроизмерительных приборов является классификация таких приборов. Так как электроизмерительные приборы имеют много характеристик, то их можно классифицировать по различным признакам. Большинство электроизмерительных приборов можно классифицировать по следующим признакам:

· принципу действия;

· роду измеряемой величины;

· методу измерения;

· роду тока;

· степени точности.

 

Существует два метода измерений с помощью электроизмерительных приборов. По методам измерения электроизмерительные приборы на приборы, которые работают на основе этих методов:

1. Метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина.

2. Метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины:

· Приборы для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);

· Приборы для измерения силы тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры);

· Приборы для измерения мощности электрического тока (ваттметры);

· Приборы для измерения электрической энергии (электрические счетчики);

· Приборы для измерения угла сдвига фаз (фазометры);

· Приборы для измерения частоты электрического тока (частотомеры);

· Приборы для измерения сопротивлений (омметры).

По роду тока электроизмерительные приборов классифицируются следующим образом:

· Приборы для измерений в цепи постоянного тока;

· Приборы для измерений в цепи переменного однофазного тока;

· Приборы для измерений в цепях постоянного и переменного тока;

· Приборы для измерений в цепях переменного трехфазного тока.

По степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5; и 4, 0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:

(1)

Здесь — показания поверяемого прибора; — показания образцового прибора; — максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).

По принципу действия различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы измерительных приборов:

· Магнитоэлектрическая система;

· Электромагнитная система;

· Электродинамическая система;

· Индукционная система.

В лабораторных работах чаще всего используются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. В основе принципа действия всех этих приборов лежит магнитное действие тока.

Принцип действия магнитоэлектрических приборов (Рис. 8) основан на взаимодействии поля постоянного магнита 1 и проводника в виде рамки 2, расположенной на стальном сердечнике 4, по которым протекает измеряемый ток I. Магнитное поле поворачивает рамку, по которой течет электрический ток, а значит, создает вращающий момент, под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол. Направление вращающегося момента, определяемое по правилу левой руки, и изменяется, если ток меняет свое направление, поэтому на клеммах прибора обязательно указывается полярность (+ и -) для правильного включения прибора. Вращающий момент пропорционален силе тока в рамке и определяется формулой:

(2)

Здесь - сила тока в рамке, - постоянный для данной рамки коэффициент, который зависит от площади рамки и от числа витков в рамке.

Поскольку стрелка 3 измерительного прибора жестко связана с осью рамки, стрелка прибора начинает перемещаться. Тогда спиральная пружина 5, в свою очередь, вызывает противодействующий момент. Величина этого момента пропорциональна углу закручивания спирали или углу поворота стрелки и определяется формулой:

(3)

Момент при определенном угле поворота уравновешивается противодействующим моментом создаваемым пружиной 5. Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при равенстве этих моментов:

(4)

Подставляем формулы (2) и (3) в формулу (4) и получаем:

(5)

Величина (6) для данного прибора, то, подставив формулу (6) в формулу (5) получаем, что сила тока, протекающего по рамке, будет определяться только углом поворота стрелки:

(7)

Так как сила тока в рамке пропорциональна углу поворота стрелки, то измерительная шкала такого прибора будет равномерной шкалой.

К достоинствам приборов данной системы относятся высокая точность измерений; равномерная шкала; незначительное потребление энергии; малая чувствительность к посторонним (наведенным) магнитным полям.

К недостаткам приборов данной системы относится необходимость применения специальных преобразователей для измерений в цепях переменного тока, чувствительность к перегрузкам, сложность конструкции.

Класс точности магнитоэлектрических приборов 0, 5-1, 5. Чаще всего они применяются для измерения напряжения, тока и сопротивления в цепях постоянного тока. Условное обозначение прибора магнитоэлектрической системы показано на рисунке 8 в правом нижнем углу.

 

Условное обозначение прибора

Рис. 8

 

Приборы электромагнитной системы имеют наиболее простую конструкцию (Рис. 9). Для создания вращающегося момента используется силовое действие магнитного поля неподвижной катушки 1 на подвижный ферромагнитный сердечник 2. Под влиянием магнитного поля, созданного измеряемым током I, магнитный сердечник 2 втягивается в катушку, поворачивая ось 3 с указательной стрелкой 4.

Индукция магнитного поля катушки, по которой течет ток, пропорциональна силе тока. Магнитное поле ферромагнитного сердечника зависит от индукции внешнего магнитного поля, то есть также зависит от силы тока в катушке. Это значит, что момент сил, втягивающих сердечник в катушку, будет пропорционален квадрату силы тока в катушке:

(8)

Здесь - постоянный для данного устройства стержня и катушки коэффициент, который зависит от рода материала стержня, от числа витков в катушке, от площади поперечного сечения катушки.

Втягиваясь в катушку с током, стержень закручивает пружину 5, на которую укрепляется стрелка прибора 4. Закручивающаяся пружина создает упругий момент, который пропорционален углу закручивания пружины или углу поворота стрелки прибора. Этот момент определяется известной формулой:

(9)

Действия этих моментов противоположны, поэтому в некоторый момент времени наступит состояние равновесия, при котором стрелка остановится. В таком состоянии втягивающий стержень момент сил и момент упругих сил будут равны, то есть:

(10)

 

Так как угол отклонения стрелки прибора прямо пропорционален квадрату силы тока, то шкала такого прибора будет неравномерной шкалой. Поскольку шкала неравномерная, измерения, проводимые в начале шкалы, имеют либо очень большую погрешность, либо вообще невозможны (сектор [0 ¸ 0, 3] - так называемая “зона нечувствительности” данного прибора).

Так как с изменением направления тока изменяется и направление индукции магнитного поля, и полярность намагничивания сердечника, то прибор пригоден для измерения, как в цепях постоянного тока, так и переменного тока.

К достоинствам электромагнитных приборов относится простота конструкции и низкая стоимость; пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов; надежность и устойчивость к перегрузкам.

Недостатки таких приборов проявляются в низкой точности и чувствительности, так как магнитный поток большую часть пути проходит по воздуху; в большом собственном потреблении энергии; в зависимости показаний от внешних магнитных полей; в неравномерности шкалы.

Класс точности приборов данной системы не выше 1, 5. Условное обозначение прибора электромагнитной системы показано на рис. 9 в правом нижнем углу.

 

Условное обозначение прибора

5 lTVyRoo5E67tJCGrU2Mdwd8pzi3knHHupcMFagC0dwSYLmQkZ4WL+o1eLqZcoxVx6vOPL/dRmpaX ovBoFSXFbG9bwvjOhtO5cHhQDPDZWzt5vRuH49loNoo7cW8468RhlnWezadxZziPjgZZP5tOs+i9 oxbFScWKggrH7k7qUfx3Utpfup1ID2I/9CF4iO4bBmTv3p60H7Kb604hC1lszvTd8EHdPnl/E931 ub8H+/7/YvILAAD//wMAUEsDBBQABgAIAAAAIQBspAz92wAAAAkBAAAPAAAAZHJzL2Rvd25yZXYu eG1sTI/LTsMwEEX3SPyDNUhsELVbqWkJcSrEYw+lHzCJhzwaj6PYbcPfM6xgOTNHd84tdrMf1Jmm 2AW2sFwYUMR1cB03Fg6fb/dbUDEhOxwCk4VvirArr68KzF248Aed96lREsIxRwttSmOudaxb8hgX YSSW21eYPCYZp0a7CS8S7ge9MibTHjuWDy2O9NxSfdyfvAX0/N4/RL88dJvXCl+yu2Pfk7W3N/PT I6hEc/qD4Vdf1KEUpyqc2EU1WFib9UZQC9lKOgkgC+lSWdgaA7os9P8G5Q8AAAD//wMAUEsBAi0A FAAGAAgAAAAhALaDOJL+AAAA4QEAABMAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAFtDb250ZW50X1R5cGVzXS54 bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAOP0h/9YAAACUAQAACwAAAAAAAAAAAAAAAAAvAQAAX3JlbHMvLnJl bHNQSwECLQAUAAYACAAAACEAxfPt92ICAAB3BAAADgAAAAAAAAAAAAAAAAAuAgAAZHJzL2Uyb0Rv Yy54bWxQSwECLQAUAAYACAAAACEAbKQM/dsAAAAJAQAADwAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAAAZHJzL2Rv d25yZXYueG1sUEsFBgAAAAAEAAQA8wAAAMQFAAAAAA== " strokeweight="1pt"/>

Рис. 9

 

Принцип действия приборов электродинамической системы (рис. 10) основан на взаимодействии двух катушек 1 и 2, по которым протекают измеряемые токи и . Измерительный механизм состоит из двух катушек: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная катушка 2, находящаяся внутри неподвижной 1, закреплена на оси 3. Ток к подвижной катушке подходит через спиральные пружины 4, которые также предназначены для создания противодействующего момента .

Индукция магнитного поля первой катушки с током пропорциональна силе тока , протекающего по этой катушке. Вращающий момент, действующий на подвижную катушку, пропорционален индукции магнитного поля, созданного в неподвижной катушке, и силе тока в подвижной катушке .

Тогда вращающий момент, действующий со стороны магнитного поля неподвижной катушки на подвижную катушку, пропорционален силе тока в неподвижной катушке и силе тока в подвижной катушке и определяется формулой:

(11)

Здесь постоянный для данных катушек коэффициент, который зависит от числа витков в каждой катушке, от площади поперечного сечения каждой катушки, от длины каждой катушки.

При повороте подвижной катушки спиральная пружина 4 закручивается. При этом возникает момент упругих сил, который пропорционален углу закручивания спиральных пружин или углу поворота связанной с ними стрелки прибора. Момент упругих сил определяется известной формулой:

(12)

Стрелка прибора останавливается, когда вращающий момент и момент упругих сил будут равны, то есть:

(13)

Из формулы (13) следует, что угол отклонения стрелки прибора пропорционален произведению токов. Это означает, что шкала такого прибора будет неравномерной.

В зависимости от способа соединения катушек между собой данные приборы можно использовать для измерения силы тока, напряжения и мощности, то есть такие приборы могут использоваться как амперметры, вольтметры или ваттметры.

Условное обозначение прибора прибора

Рис. 10

Достоинствами электродинамических приборов являются высокая точность, обусловленная отсутствием стальных сердечников; способность работать на постоянном и переменном токе.

Недостатками следует считать сравнительно низкую чувствительность; зависимость показаний от внешних магнитных полей; опасность перегрузок; большую мощность потерь; относительно высокую стоимость из-за сложной конструкции; неравномерность шкалы при измерении тока и напряжения.

Класс точности приборов данной системы: 0, 1; 0, 2; 0, 5. Условное обозначение прибора электродинамической системы показано на рис. 10 в правом нижнем углу.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: