Электромагнитные измерительные приборы (ЭМИП).

В электромагнитных измерительных приборах для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы, состоящей из катушки с из меряемым током и одного

или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом. В ЭМИП с плоской катушкой (рис. 2.7) сердечник 1 из пермаллоя под действием сил поля втягивается в узкий воздушный зазор катушки 5 с обмоткой из медного провода. Ось 3

сердечника 1 со стрелкой 6, спиральной пружиной 4 и подвиж-

ной частью успокоителя 2 крепится на опорах или растяжках. Успокоители в ЭМИП могут быть воздушные, жидкостные или магнитоиндукционные.

Шкала электромагнитного прибора квадратичная. Конструктивно добиваются равномерности шкалы, начиная с 1/5 части верхнего предела измерения.

Достоинства: простота конструкции и высокая надежность, хорошая перегрузочная способность, возможность работы в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 1, 0; 1, 5; 2, 5; частотный диапазон 45 Гц... 10 кГц; диапазон измерения по

току 0, 005... 300 А (при прямом включении) и до 20 000 А с измерительным трансформатором тока (ИТТ); по напряжению 1, 5... 60 В (при прямом включении) и до 6000 В с измерительным трансформатором напряжения (ИТН).

(ИТТ); по напряжению 1, 5... 60 В (при прямом включении) и до 6000 В с измерительным трансформатором напряжения (ИТН).

Недостатки: большое собственное потребление энергии, невысокая чувствительность, неравномерная шкала, влияние внешних магнитных и температурных полей, частоты питающего напряжения на показания ЭМИП.

Применение: электромагнитные приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, фазометров, частотомеров, генриметров и фарадметров. Расширение пределов по току — секционирование и использование ИТТ, по напряжению — секционирование, применение добавочного резистора и ИТН.

Электродинамические измерительные приборы (ЭДИП). В таких приборах для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижной и неподвижной катушек с токами. Неподвижная часть может иметь одну, чаще две катушки, соединенные между собой параллельно или последовательно, намотанные медным проводом, внутри которых располагается подвижная катушка, обычно бескаркасная. Для ее включения в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки. Успокоение подвижной части — воздушное или магнитоиндукционное (рис. 4.8).

Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси подвижная катушка 2. Ток к ней подводится по спиральным токоподводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента.

Достоинства: используются в цепях постоянного и переменного токов, классы точности 0, 05; 0, 1; 0, 2. Диапазон измерений на постоянном токе 0, 015... 10 А (прямое включение), на переменном токе 0, 005...200 А (прямое включение), до 600 А с ИТТ; измерения постоянного напряжения 1, 5...600 В (прямое включение), 7, 5...6000 В с R_дo6, переменного до 30 000 В с ИТН; частотный диапазон до 40 кГц.

Недостатки: большое собственное потребление энергии, неравномерная шкала, невысокая чувствительность, малая перегрузочная способность, сложная конструкция и высокая стоимость, тряски и вибрации недопустимы. На показания этих приборов влияют внешние магнитные поля, температура и частота питающего напряжения.

Применение: электродинамические приборы используют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров (для расширения пределов измерения применяют секционирование катушек, сопротивление R_дoб, ИТТ и ИТН), частотомеров, фазометров (на принципе логометров).

Ферродинамические измерительные приборы (ФДП). Эти приборы отличаются от ЭДИП тем, что неподвижная катушка в них расположена на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению М_вр и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие магнитопровода снижает точность этих приборов из-за потерь на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства: не боятся вибраций и тряски, внешние магнитные поля мало влияют на их показания, классы точности 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 5. Успокоение подвижной части — воздушное и магни-тоиндукционное.

Недостатки: на постоянном токе погрешность возрастает за счет потерь на гистерезис, сказывается влияние частоты питающего напряжения и температуры внешней среды, частотный диапазон 10 Гц... 1, 5 кГц.

Применение: ферродинамические приборы в основном применяются в цепях переменного тока на промышленной частоте в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров; большая величина М_вр позволяет использовать их в самописцах, расширение пределов измерения осуществляется так же, как у электродинамических приборов.

Электростатические измерительные приборы (ЭСИП). В ЭСИП для перемещения подвижной части используется принцип взаимодействия двух или несколько электрически заряженных проводников, т.е. здесь в отличие от механизмов других систем перемещение подвижной части осуществляется за счет непосредственного приложенного напряжения. Таким образом, эти приборы по своему принципу действия являются приборами, измеряющими только напряжение. Конструктивно их можно представить в виде плоского конденсатора с подвижными и неподвижными электродами. Перемещение подвижной части связано с изменением емкости системы, которая может быть осуществлена либо изменением площади электродов, либо изменением расстояния между ними. На рис. 4.9 приведена схема устройства электростатического прибора. Подвижная алюминиевая пластина 1, закрепленная

вместе со стрелкой на оси 3, может перемещаться, взаимодействуя с двумя электрически соединенными неподвижными пластинами 2. Входное напряжение подается на подвижную и неподвижную пластины. Под действием электростатических сил подвижная пластина втягивается между неподвижными пластинами.

Достоинства: не потребляют энергии в цепях постоянного тока и имеют очень незначительное потребление в цепях переменного тока; классы точности: 0, 05; 0, 1; 1, 0; 1, 5; 2, 5; частотный диапазон 20 Гц... 10 МГц, диапазон измерений постоянного напряжения 10 В...7500 кВ, переменного напряжения 30 В...7500 кВ; независимость показаний от изменения температуры, частоты и формы кривой измеряемого напряже- Рис.4.9. Схема устройства

ния, а также внешних магнитных полей. электростатического прибора:

Недостатки: низкая чувствительность, неравномерная 1 – подвижная алюминиевая

шкала, сказывается влияние внешних электрических и пластина; 2 – неподвижная

электростатических полей. пластина; 3 – ось.

Применение: в цепях постоянного и переменного токов в качестве вольтметров. Для расширения пределов измерения по напряжению используются резисторные и емкостные делители напряжения.

Индукционные измерительные приборы (ИИП). В ИИП особым расположением катушек получают вращающееся электромагнитное поле, которое, пронизывая алюминиевый цилиндр, индуцирует в нем вихревые токи, что вызывает возникновение вращающего момента. С помощью спиральных бестоковых пружин создается противодействующий момент и обеспечивается пропорциональность измеряемой величины отклонению подвижной системы.

Зависимость показаний ИИП от колебаний частоты тока возбуждения и температуры окружающей среды ограничивает применение этих приборов.

Применение: в самопишущих приборах, для построения указателя вращающегося поля, синхроскопа, частотомера и в счетчиках электрической энергии.

Упрощенная схема однофазного индукционного счетчика электрической энергии показана на рис. 4.10.

Механизм прибора состоит из двух неподвижных магнитопрово-дов: трехстержневого сердечника 1 с катушкой напряжения и П-образного сердечника 5 с двумя последовательно соединенными токовыми катушками, счетного механизма 2, алюминиевого диска 3, жестко укрепленного на оси, и постоянного магнита 4, служащего

для создания тормозного момента.

Анализ работы индукционного счетчика показывает, что его вращающий момент пропорционален активной мощности переменного тока: М_вр = К₁UIcosφ = K₁P

где К₁ — коэффициент пропорциональности; φ — угол сдвига фаз между напряжением U и током I, Р — мощность.

Под влиянием М_вр диск счетчика начинает вращаться. На диск действует тормозной момент М_Т, создаваемый постоянным магнитом, который упрощенно можно считать пропорциональным скорости вращения диска:

M_Т = K₂da/dt,

где К₂ — постоянный коэффициент.

При неизменной активной мощности в цепи М_вр = М_т. Тогда

К₁Р = K₂da/dt. Выражение можно представить в виде K₁Pdt=K₂da.

Следовательно,

W= K₂2π N/K₁ = C_H0MN,

где С_ном = 1/А — номинальная постоянная счетчика (количество энергии, учитываемой счетчиком за один оборот диска); А — передаточное число счетного механизма в виде числа оборотов, соответствующих единице энергии.

Количество электричества, реально прошедшее за один оборот диска, зависит от тока и характера нагрузки, внешних условий (например, от температуры и частоты), характеризуется действительной постоянной счетчика С_д, которая, как правило, не равна номинальной. Она определяется путем измерения действительно израсходованной энергии W_Д за некоторое число оборотов диска N при помощи ваттметра и секундомера. В этом случае

W_Д = Рt=С_ДN

где Р — мощность, измеренная ваттметром; t — время. Тогда

С_д = Pt/N.

Относительная погрешность счетчика, т.е. его класс точности (в%)

γ _отн = [(W- W_Д)/ W_Д ]100 = [(С_ном- С_д)/ С_д ]100.

Передаточное число счетчика А указывается на щитке счетчика. Значения А и С_ном зависят только от конструкции данного счетчика и являются величинами постоянными.

Важный параметр счетчика — порог чувствительности, под которым понимается минимальная нагрузка, выражаемая обычно в процентах от номинальной, при которой подвижная часть начинает безостановочно вращаться.

Наряду с этим счетчик не должен иметь самоход при разомкнутой токовой цепи и изменении напряжения в пределах 220 В ±10 %.

Счетчики активной энергии выпускаются классов точности 0, 5; 1, 0; 2, 0; 2, 5. Порог чувствительности счетчика не должен превышать 0, 4 % для счетчиков класса точности 0, 5

и 0, 5 % для счетчиков класса точности 1, 0; 2, 0; 2, 5.

Применение: для измерения электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях.