Измерительный механизм электромагнитной системы

Принцип действия измерительного механизма электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля электромагнита с магнитным полем, наведённым в сердечнике, выполненным из магнитомягкого материала. Сердечник способен намагничиваться. В результате такого взаимодействия сердечник втягивается внутрь катушки электромагнита. Сердечник закреплён на оси со стрелкой. Следовательно, происходит поворот подвижной части механизма и отклонение стрелки прибора.

Сила, действующая на сердечник, а, следовательно, и угол поворота подвижной части прибора пропорциональна квадрату тока, протекающего по катушке. По этой причине шкала измерительного прибора нелинейная с сильно сжатым начальным участком. Усилие создаваемое электромагнитом не зависит от направления прохождения тока по катушке. По этому приборы электромагнитной системы пригодны для измерения как постоянного, так и переменного тока. Измерительные механизмы электромагнитной системы снабжаются специальными успокоителями воздушного или магнитоиндукционного принципа действия.

Кроме приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем промышленностью выпускаются приборы, имеющие измерительные механизмы других систем.

Электродинамическая система, в которой взаимодействуют магнитные потоки двух катушек – подвижной и неподвижной. Приборы этой системы пригодны для измерения как постоянного, так и переменного тока.

Ферродинамическая система. Конструкция измерительного механизма ферродинамической системы аналогична конструкции механизма магнитоэлектрической системы, однако постоянное магнитное поле создаётся электромагнитом. Применение электромагнита приводит к увеличению потребляемой прибором энергии и уменьшению внутреннего сопротивления прибора и снижению его чувствительности.

Индукционная система. В таком механизме вращающий момент создаётся за счёт взаимодействия переменных магнитных полей с токами, наведёнными в металлическом (алюминиевом) диске. Диск устанавливается на оси связанной со счётным устройством. Механизмы индукционной системы применяются в счётчиках потреблённой электроэнергии.

Электростатическая система. Механизм электростатической системы содержит две пластины, расположенные близко друг к другу с угловым сдвигом. Одна пластина неподвижная, а другая находится на той же оси что и стрелка. При подаче напряжения на пластины, они притягиваются друг к другу вследствие взаимодействия электрических зарядов разного знака. Чувствительность таких приборов очень низкая, но внутреннее сопротивление очень высокое – до нескольких миллионов Ом. Электростатические системы применяются в вольтметрах рассчитанных на измерение высоких напряжений – десятки тысяч Вольт.

Измерительные приборы электромагнитной и электродинамической системы могут иметь специальную конструкцию, снижающую влияние внешних магнитных полей. Такие приборы называются астатическими.

Обозначения типа прибора и его особенностей.

На шкалу прибора или рядом с ней наносятся условные обозначения, указывающие его марку или тип, назначение, т. е. измеряемую величину, тип измерительной системы, для какого тока предназначен – постоянного или переменного, класс точности, т. е. приведённая погрешность, рабочее положение прибора – горизонтальное, вертикальное или наклонное, значение напряжение при котором испытывалась изоляция прибора, тип преобразователя и др. Рис. .

Рис. Пример условных обозначений на шкале прибора.

Отсчетное устройство.

Отсчетным устройством называется часть измерительного прибора, позволяющая определить значение измеряемой величины. Отсчетные устройства бывают:

1. стрелочные;

2. световые;

3. цифровые.

В большинстве измерительных приборов отсчётные устройства стрелочные. Они состоят из неподвижной шкалы и подвижной стрелки-указателя. Шкалы бывают обычные и зеркальные. На шкале наносятся отметки, соответствующие значениям измеряемой величины. Шкалы бывают равномерные и неравномерные.

Считывать показания следует, наблюдая положение стрелки, в направлении перпендикулярном плоскости шкалы.

В общем случае показания прибора определяют в следующей последовательности:

1. Определить предел измерения прибора, т.е. то наибольшее значение, которое прибор может измерить.

2. Определить количество делений шкалы (обычно указывается около последней отметки шкалы).
3. Определить цену деления, разделив предел измерений на количество делений шкалы.
4. Определить количество делений, которое указывается стрелкой прибора.
5. Определить измеренное значение величины, умножив количество указанных делений на цену одного деления.

Например. Предел измерений 400В.

Количество делений шкалы 80.

Цена деления 400/80 = 5В/дел.

Показания прибора 35 делений.

Значение измеренного напряжения 35х5=175В.

При наличии опыта работы с приборами, возможно использование и других способов считывания результатов.

В последнее время широкое распространение получили измерительные приборы с цифровым отсчётным устройством, которые показывают значение измеряемой величины на цифровом дисплее. Такие приборы весьма чувствительны к различным внешним помехам, что в некоторых случаях приводит к искажению результатов измерений. Об этом необходимо помнить и проверять, не является полученный результат ошибочным. При отсутствии практического опыта работы с измерительными приборами отличить достоверный результат от ложного зачастую трудно. Стрелочные измерительные приборы, особенно магнитоэлектрической системы слабо чувствительны квнешним помехам и поэтому дают достоверные результаты.

Измерение тока.

Электрический ток измеряется амперметром, миллиамперметром или микроамперметром. Выбор прибора для измерения тока зависит от значения тока, протекающего в измеряемой цепи.

Измерительный механизм магнитоэлектрической системы имеет, как правило, высокую чувствительность и дает полное отклонение стрелки при токе 50-150 мкА. Для получения такого тока на рамке прибора должно действовать напряжение порядка 75-150 мВ. Следовательно, измерительный механизм можно использовать только в качестве гальванометра для регистрации токов и напряжений малой величины.

Для расширения предела измерения измерительного прибора к измерительному механизму подключают либо шунт (для амперметра), либо добавочное сопротивление (для вольтметра).

Амперметр включается цепь последовательно с нагрузкой, другими словами амперметр включается в разрыв цепи, в которой надо измерить значение тока.

Для расширения предела измерения амперметра (миллиамперметра, микроамперметра) параллельно измерительному механизму подключается сопротивление, называемое шунтом.

В схеме: I - измеряемый ток, Iш – ток шунта, Iи - ток измерительного механизма, Rш - сопротивление шунта, Rи - сопротивление рамки измерительного механизма, Rн - сопротивление нагрузки

Поскольку измерительный механизм и шунт соединены параллельно, то напряжение, действующее на них, одно и тоже.

, где: Iш – ток шунта, Rш – сопротивление шунта, Iи –ток измерительного механизма, Rи – сопротивление измерительного механизма.

После преобразования получим , где K – коэффициент расширения предела изменения амперметра, показывающий во сколько раз предел измерения прибора с шунтом больше, чем предел измерения прибора без шунта.

Задача. Имеется прибор- миллиамперметр с током полного отклонения стрелки 100мА и внутренним сопротивлением 300 Ом. Рассчитать шунт для получения амперметра с пределом измерения 5 А.

Если амперметр или миллиамперметр рассчитан на измерение тока в широком диапазоне значений, то такой прибор делают многопредельным. Предел измерений выбирается соответствующим переключателем. Многопредельный амперметр снабжается несколькими шунтами или одним многопредельным шунтом. При расчёте многопредельного шунта следует иметь в виду, что при переключении предела измерений происходит изменение не только сопротивление шунта, но и сопротивление измерительного механизма, т. к. последовательно с измерительным механизмом включается часть сопротивления многопредельного шунта.

Для приведённой схемы измеряемый ток равен:

, где: I – измеряемый ток, Rи – сопротивление измерительного механизма, Rд – сопротивление добавочного резистора, Rш – сопротивление шунта. В этом уравнении два неизвестных Rш и Rд, поэтому Rш + Rд.

Измерение напряжения.

Для измерения напряжения применяются вольтметры или милливольтметры, реже микровольтметры. В измеряемую цепь вольтметр подключается параллельно тому участку схемы, на котором необходимо измерить напряжение.

Ток, протекающий по вольтметру , где Iu – ток вольтметра, Uu – напряжение действующее на вольтметре, Ru – сопротивление вольтметра. Если сопротивление вольтметра много больше сопротивления того участка цепи, к которому подключается вольтметр, то вольтметр не оказывает существенного влияния на напряжение, действующего в точках подключения вольтметра. В противном случае при подключении вольтметра происходит уменьшение напряжения в точках подключения вольтметра и возникает дополнительная погрешность.

Для расширения предела измерения вольтметра применяются добавочные сопротивления. Добавочное сопротивление включается последовательно с измерительным механизмом прибора, т. е. с тем вольтметром, предел измерения которого расширяется.

, где Rд – сопротивление добавочное, Rи – сопротивление измерительного механизма (исходного вольтметра), К – коэффициент расширения предела измерений, показывающий во сколько раз расширяется предел измерений.

Для многопредельного вольтметра применяют добавочные резисторы, состоящие из нескольких частей.