Магнитоэлектрические амперметры.

ЛЕКЦИЯ 6.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы.

 

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров применяются масштабные преобразователи: для амперметров – шунты, для вольтметров – добавочные сопротивления.

 

Магнитоэлектрические амперметры.

 

Основой амперметров является измерительный механизм (ИМ). В микро- и миллиамперметрах, предназначенных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измерительная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма R_А = R_р + 2R_пруж ).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодействующих пружинок.

 

 

Если измеряемый ток I превышает по значению ток полного отклонения I_А подвижной части, то параллельно цепи измерительного механизма И подключается шунт (резистор, через который пропускается ток I_ш = I – I_А (рис. 6.1, а). Сопротивление шунта R_ш определяется из условия

I_А R_А = I_ш R_ш = I [R_А R_ш / (R_А + R_ш )] = const.

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления n= I / I_А,то его сопротивление

R_ш = R_А/ (n – 1).

Обычно R_ш = 10^-2 – 10^-4 Ом.

В двухпредельном амперметре (рис.6.2), если принять I₁<I₂, сопротивления шунта для пределов I₁и I₂ соответственно равны:

R_ш1 = R₁ + R₂ = R_А/(n₁ – 1); R_ш2 = (R₁ + R_А )/(n₂ – 1), (6.1)

где n₁ = I₁ / I_А; n₂ = I₂ / I_А – коэффициенты шунтирования.

Совместно решая (6.1), можно определить сопротивления шунтов:

 

.

 

 

Аналогично можно рассчитать сопротивления для многопредельного ступенчатого шунта.

Шунты бывают внутренние и наружные. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные – на токи до 10 кА.

В целях стандартизации, наружные шунты выпускаются на различные номинальные падения напряжения (от 45 до 300 мВ) и классов точности от 0.02 до 0.5.

Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором (рис.6.1, б) можно использовать как вольтметр для измерения напряжения. Его подключают параллельно к объекту измерения. В измерительной цепи вольтметра измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходимый для отклонения подвижной части ИМ.

Предел измерения U_V вольтметра зависит от тока полного отклонения I_V подвижной части и внутреннего сопротивления R_V вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки R_р и пружин 2R_пруж):

U_V = I_VR_V; R_V = R_р + 2R_пруж .

Ток полного отклонения I_V рамки магнитоэлектрических вольтметров составляет примерно 50 мА.

Для изменения предела измерения напряжения U_V до U последовательно с вольтметром включается добавочный резистор, сопротивление R_д которого при заданном значении I_V определяется из выражений:

U_V /R_V = U/(R_V+R_д) = I_V = const; U = U_V + U_д;

 

R_д = R_V[(U/U_V) –1] = R_V(n – 1),

где n=U/U_V – коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

В многопредельных вольтметрах (рис.6.3) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений U₁,U₂,U₃ при заданном токе рамки I_V сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам:

R_1д = R_V(n₁ – 1), или R_1д = (U₁/I_V) – R_V ;

R_2д = R_V(n₂ – 1) – R_1д, или R_2д = (U₂ – U₁)/I_V, и т.д..

где n₁ = U₁ /U_V; n₂= U₂ /U_V – коэффициенты расширения пределов.

Добавочные резисторы могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0.5 до 30 мА) и имеют классы точности от 0.02 до 1.

Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан), имеющих температурный коэффициент сопротивления, близкий к нулю.

 

Комбинированные аналоговые измерительные приборы (выпрямительные приборы).

 

Комбинированный аналоговый измерительный прибор – ампервольтомметр (авометр) – является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны измерения токов, напряжений в цепях постоянного и переменного токов частотой от 20 Гц до 20 кГц и выше, сопротивлений постоянному току и емкостей. В авометре используют магнитоэлектрический ИМ , который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измерительными цепями.

Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (см. рис. 6.4). Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы (микроамперметром, миллиамперметром). В схеме прибора используют одно- и двухполупериодные выпрямители.

 

В однополупериодных схемах (рис. 6.4, а) ток i через магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом VD1, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода VD1 велико, ток протекает через диод VD2, включенный параллельно прибору. Диод VD2 защищает диод VD1 от пробоя. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и при частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за мгновенными значениями вращающего момента, реагируя только на среднее значение момента. Из уравнения шкалы магнитоэлектрического прибора a = следует, что отклонение стрелки выпрямительного прибора пропорционально среднему за период значению переменного тока. Для однополупериодного выпрямления при токе синусоидальной формы

и показания прибора

a = S_I I_ср . (6.2)

В двухполупериодных схемах выпрямления (рис. 6.4, б) ток i, протекающий через прибор, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме рис. 6.4, а. Для синусоидального тока

I _ср.в= 0.636 I_m.

Из (6.2) видно, что шкала выпрямительного прибора линейна и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в средних квадратических значениях напряжения (тока) синусоидальной формы, поэтому средневыпрямленное значение тока , протекающего через прибор, можно выразить через среднеквадратическое значение I измеряемого тока и коэффициент формы для синусоиды К_Ф:

Здесь К_Ф =

Тогда I = 2.2I_А .

При двухполупериодной схеме

I = 1.1I_А.

Следовательно, в выпрямительных приборах все значения оцифрованных делений шкалы как бы умножены на коэффициент формы К_ф= 1.11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1.11 (получить выпрямленное значение измеряемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1.11 подставляют 2.22 (2К_ф).

Выпрямительные приборы имеют классы точности 1.5 и 2.5 с пределами измерения по току от 2 мА до 600 А, по напряжению – от 0.3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов является высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Так, применение точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений до частот порядка 10⁴…10⁵ Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

 

Электромагнитный измерительный механизм.

 

Состоит из неподвижной катушки с обмоткой, в которую подается измеряемый ток, и сердечника на оси из магнитного материала (табл.5.1,б).

Сердечник втягивается в магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Обмотка неподвижной катушки, в отличие от предыдущего, может быть выполнена из более толстого провода. Поэтому электромагнитные приборы обладают большей перегрузочной способностью.

Зависимость угла поворота от квадрата тока (см. формулы на схеме)

a =

указывает на возможность измерения переменного и постоянного токов, а также на квадратичный характер шкалы. Однако, на практике шкалу прибора можно приблизить к линейной подбором конфигурации сердечника.

Таким образом, электромагнитные приборы измеряют среднеквадратическое (действующее) значениетока. Это относится и к другим видам приборов с квадратичной функцией преобразования.

Достоинства приборов электромагнитной системы:

Простота конструкции, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов, а также отсутствие токоподводов к подвижной части, низкая трудоемкость в изготовлении и низкая стоимость используемых материалов и, следовательно, пониженная цена по сравнению с другими приборами, имеющими равные метрологические свойства.

Недостатки: большое собственное потребление энергии (собственное сопротивление вольтметров составляет 100 ¸ 2000 Ом), невысокая точность (классы точности 1.0; 1.5; 2.5), малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей.

Электромагнитные приборы применяют преимущественно в качестве щитовых амперметров и вольтметров в цепях переменного тока промышленной частоты. Классы точности щитовых приборов 1.5 и 2.5. Промышленностью выпускаются амперметры с верхним пределом измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры с пределами измерения от долей вольта до сотен вольт.

Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0.5 и 1.0 для измерения в лабораторных условиях.

 

Электромагнитные амперметры и вольтметры.

Диапазон измерения токов весьма широк. Для стационарных измерений используют однопредельные амперметры, для переносных – многопредельные.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров нерационально, т.к. приводит к увеличению мощности потребления приборами, громоздкости и дороговизне.

Пределы измерения амперметров расширяют с помощью измерительных трансформаторов тока (ТТ) (рис.6.5,а).

Первичная обмотка ТТ с меньшим числом витков включается последовательно в цепь измеряемого тока I₁, а к зажимам вторичной обмотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А. Измеряемый ток определяют посредством умножения показаний амперметра на номинальный коэффициент трансформации тока К_Iном, т.е.

I_X = I₁ = I₂K_Iном.

[Нормальным режимом для ТТ является режим к.з. При размыкании вторичной цепи ТТ резко повышается напряжение на вторичной обмотке от единиц вольт до нескольких кВ, что опасно и может привести к перегреву сердечника и пробою изоляции. Во избежание размыкания предусмотрен ключ В.]

 

 

Лабораторные измерительные трансформаторы тока изготовляются на номинальные напряжения 0.5 – 35 кВ; номинальные первичные токи 0.1 – 25000 А; номинальные вторичные токи 5 А и 1 А. Классы точности ТТ 0.05, 0.1, 0.2, 0.5.

Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последовательное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Добавочные резисторы применяют в многопредельных вольтметрах с наибольшим пределом измерения 600 В.

Для расширения пределов измерения электромагнитного вольтметра применяют измерительные трансформаторы напряжения ТН (рис.6.5,б).

Первичную обмотку ТН с большим числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение U₁, вторичную обмотку с напряжением U₂ и малым числом витков соединяют с вольтметром.

Вторичная обмотка замкнута на большое сопротивление, вследствие чего токи в обмотках малы и ТН работает в условиях, близких к х.х.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформации К_Uном, т.е.

U_X = U₁ = U₂K_Uном.

Классы точности ТН 0.05, 0.1, 0.2, 0.5.

Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров сопряжено с увеличением погрешности измерения.