Магнитоэлектрические амперметры

Наибольший номинальный ток, на который изготовляются магнитоэлектрические измерительные приборы не превышает 100 мА. Таким образом, магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов (гальванометры, микроамперметры, миллиамперметры) представляют собой измерительный механизм, катушка которого присоединена к зажимам прибора, расположенным на его корпусе, а на шкалах непосредственно наносятся значения измеряемого тока.

Магнитоэлектрический амперметр представляет собой измерительный механизм той же системы с шунтом для расширения предела измерения тока. Шунт присоединяется параллельно измерительному механизму (рис.1).

рис.1 Измерительный механизм с шунтом

Измеряемый ток в узле а делится на две части: ток шунта I_ш и ток измерительного механизма I_и. Падение напряжения на разветвлении аб (рис.1)

откуда

При постоянных значениях сопротивления шунта r_ш и сопротивлении измерителя r_и между измеряемым током I и током измерительного механизма I_и будет постоянное отношение p. Следовательно, по углу поворота подвижной части измерительного механизма можно определять измеряемый ток. Шунты должны иметь достаточное сечение, исключающее возможность их нагревания и связанных с этим погрешностей. Шунты на токи до 25-50 А обычно помещаются в кожухе прибора, а на большие токи – вне прибора, отдельно от него.

Технические амперметры имеют однопредельные шунты, а образцовые и лабораторные – многопредельные (рис.2).

рис.2 Амперметр с многопредельным шунтом

Различные пределы измерения получаются изменением сопротивления шунта при перестановке штепселя из одного гнезда в другое.

Магнитоэлектрический вольтметр представляет собой измерительный механизм той же системы с добавочным сопротивлением для расширения предела измерения напряжения (рис.3).

рис.3 Измерительный механизм с добавочным сопротивлением

На шкале вольтметра наносятся деления, дающие значения напряжения на его зажимах: U=I(r_и+r_д), которое больше напряжения на измерительном механизме U_и=Ir_и в p=r_и+r_д /r_и раз.

Технические вольтметры имеют однопредельное, а образцовые и лабораторные – многопредельные добавочные сопротивления (рис.4).

рис.4 Вольтметр с многопредельным добавочным сопротивлением

Различные номинальные напряжения получаются использованием различных добавочных сопротивлений, что достигается переносом одного из проводов с одного зажима вольтметра на другой, или переключением переключателя или штепселя.

Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры изготовляются как образцовые и лабораторные (класс точности 0,1-0,5), так и технические (класс 1-2,5).

Они обладают высокой чувствительностью, малым влиянием внешних магнитных полей, незначительным влиянием температуры, малой мощность потерь, чувствительностью к перегрузкам.

Описание чувствительного элемента Электромагнитных Амперметров

Приборы электромагнитной системы основаны на взаимодействии магнитного поля катушки с подвижным ферромагнитным сердечником. Узел для создания вращающего момента (рисунок 1) состоит из катушки, по которой протекает измеряемый ток, и сердечника, закрепленного на оси указателя.  1, 4 - неподвижные катушки; 2 - ферромагнитный подвижной сердечник;  3 - ось.  Рисунок 1 - Электромагнитный прибор:  а - вид общий с плоской катушкой.  б - вид общий с круглой катушкой.  Энергия, которая запасена в катушке, Wем = L ∙ I 2 / 2. Индуктивность катушки при движении сердечника меняется, следовательно, выражение для вращающего момента с формулой будет иметь следующий вид . Из условия равенства вращающего и противодействующего моментов получаем .  Из этого уравнения следует, что отклонение указателя пропорционально квадрату измеряемого тока, то есть шкала нелинейная и прибор пригоден для измерения как постоянного, так и переменного тока. Градировка шкалы на постоянном токе соответствует среднеквадратичному (действующему) значению переменного тока.  Достоинства электромагнитных приборов - простота конструкции и надежность. Недостатки электромагнитных приборов: малая чувствительность; значительное потребление мощности от измеряемой цепи (до 1 Вт); нелинейность шкалы (в начале сжата, в конце растянута); значительная погрешность; влияние многих величин: температура окружающей среды, внешнее магнитное поле, частота измеряемого переменного тока.  Значительная погрешность объясняется наличием ферромагнитного сердечника, в котором нелинейное намагничивания и магнитный гистерезис, а также возникают вихревые токи. Гистерезис приводит к вариации показаний, то есть к различным показаний при подходе к точке отсчета со стороны меньших или больших значений. Под влиянием изменения температуры изменяются сопротивление обмотки катушки и ее геометрические размеры. Полное сопротивление катушки переменному току зависит от частоты, поэтому градуировка электромагнитного прибора действительна для определенной частоты или в узком диапазоне частот. Магнитное поле катушки очень слабое, поэтому внешнее магнитное поле значительно влияет на показания. Для защиты от внешнего магнитного поля используют два пути - экранирование и астазування. Экранирование Магнитомягкие железом уменьшает влияние внешнего магнитного поля, но приборы тяготятся; неизбежны отверстия для проводов, подводящих и щели возле шкал ослабляют экранирования.Чаще используют астазування, основанное на взаимодействии внешнего и внутреннего магнитных полей, что приводит к нулевому суммарного эффекта. Рисунок 2 - астатической измерительный прибор электромагнитной системы. Астатической прибор состоит из двух одинаковых узлов, создающих вращающий момент, катушки которых соединены так, что их магнитные поля противоположных, рисунок 2. Внешний магнитный поток Ф состоит из потоком Ф1 первого катушки и вычитается из потока Ф2 второй катушки. В результате суммарный крутящий эффект остается неизменным. Электромагнитные приборы благодаря простоте, дешевизне и надежности широко применяются для измерения токов и напряжений в сильноточных цепях постоянный и переменный токи промышленной частоты (50 и 400 Гц). Большинство электромагнитных амперметров и вольтметров выпускаются в виде щитовых приборов различных размеров класса 1,5 и 2,5.Есть приборы класса 1,5 и 1,0 для работы на дискретных частотах 50, 200, 800, 1000 и 1500 Гц. Амперметры электромагнитной системы. Катушку амперметра изготовляют из медного провода, рассчитанного на номинальное значение тока, например 5 А. Число, витков определяют из условия полного отклонения указателя амперметра при номинальном токе. Щитовые амперметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 100 мА до 500 А. Измерительные трансформаторы тока применяют для расширения пределов измерения переменного тока. Они различаются классами точности (от 0,05 до 1,0), значением нормированного номинального сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки (от 0,2 до 2,0 Ом). Основная рабочая частота 50 Гц, но есть трансформаторы на 400 и 1000 Гц. - Начало первичной обмотки w1 и вторичной обмотки w2.1 - магнитопровод, 2 - изолятор. Рисунок 3 - Измерительный трансформатор тока: а-схема включения б - конструкция проходного трансформатора тока Первичная обмотка трансформатора тока содержит малое число витков (часто - один проводник) и включается в разрыв цепи И1 последовательно, рисунок 3. Вторичная - с амперметром А на 5А (иногда на 1А). Значение измеряемого тока (тока в первичной обмотке) I1 = n ∙ IA определяется по показанию амперметра путем умножения показания на коэффициент трансформации n = w2 / w1, где w2, w1 - число витков вторичной и первичной обмоток соответственно. Трансформаторы тока выпускаются для работы с первичным током от 5 А до 15 кА. При больших значениях тока первичная обмотка представляет собой прямолинейный проводник, шину или стержень, которые проходят через окно магнито провода (рисунок 3, б). Опоры амперметров малы, поэтому нормальным режимом работы трансформатора тока является режим, близкий к режиму короткого замыкания. Вольтметры электромагнитной системы. Катушку вольтметра изготавливают из большого числа витков тонкой медного провода, достаточного для полного отклонения указателя при данном значений тока. Уравнение (3-19) для электромагнитного вольтметра принимает следующий вид: где RV - сопротивление обмотки катушки. Щитовые вольтметры непосредственного включения выпускают со шкалами от 7,5 до 250 В., а с дополнительными опорами - на 450, 600 и 750 В; класс точности 1,5. Измерительные трансформаторы напряжения применяют для измерения более высоких напряжений, вплоть до 15 кВ. Они различаются классом точности (0,1 и 0,2) и коэффициентом трансформации. Рабочая частота 50 Гц. Первичная обмотка трансформатора напряжения, рисунок 3.9, включается параллельно измеряемой цепи. К зажимам вторичной обмотки подключается вольтметр. Значение измеряемого напряжения (напряжения в первичной обмотке) определяется показанием вольтметра, умноженным на число, обратное коэффициента трансформации: Трансформаторы напряжения рассчитываются для работы с первичной напряжением от 380 до 500 000 В, поэтому число витков первичной обмотки велико. Вторичная обмотка нагружена на вольтметр с большим сопротивлением, поэтому нормальным режимом работы трансформатора напряжения является режим, близкий к режиму холостого хода.Трансформаторы, первичная обмотка которых предназначена для работы с напряжением 3 кВ и выше, обеспечиваются высоковольтными изоляторами, содержащиеся в кожухи, заполненные трансформаторной елеем. Масса их достигает сотен килограммов. Измерительные трансформаторы на более высокие напряжения разрабатываются и изготавливаются индивидуально и представляют собой сложные электротехнические сооружения. Рисунок 3 - Измерительный трансформатор напряжения и схема включения трансформаторов тока и напряжения. Шунт - масштабный измерительный преобразователь, предназначенный для изменения значения измеряемой величины в заданное число раз. Рисунок 1 - Схема включения магнитоэлектрического измерительного механизма Р с шунтом Rш. Шунты изготавливаются из манганин.На небольшие токи (до 30 А) шунты обычно помещаются в корпусе прибора (внутренние шунты), на большие токи (до 7500 А) применяются внешние шунты. Внешние шунты имеют две пары зажимов: токовые и потенциальные. Токовые зажимы служат для включения шунта в цепь с измеряемым параметрам; к потенциальным зажимов, сопротивление между которыми равен Rш, подключают измерительный механизм прибора. Если необходимо иметь ток IP в измерительном механизме меньшим в n раз измеряемого тока I, то сопротивление шунта , где Rp - сопротивление измерительного механизма; n = I / IP - коэффициент шунтирования. Внешние (взаимозаменяемые) шунты разделяют на классы точности: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Шунты применяют главным образом в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическим измерительными механизмами. Применение шунтов с электромагнитными, электродинамическими, феродинамичнимы и индукционными измерительными механизмами нерационально из-за сравнительно большое потребление мощности этими механизмами, что приводит к существенному увеличению размеров шунтов и потребляемой мощности. Кроме того, при включении шунтов с измерительными механизмами на переменном токе возникает дополнительная погрешность от изменения частоты, поскольку с изменением частоты сопротивление шунта и измерительного механизма меняться неодинаково. Делители напряжения. Для расширения пределов измерения измерительных механизмов по напряжению (вольтметров) применяют дополнительные резисторы, которые включают последовательно с измерительным механизмом; они образуют делители напряжения. Если напряжение постоянного тока, необходимая, для полного отклонения подвижной части измерительного механизма равна UP, а измеряемое напряжение U = m • UP, тот дополнительное сопротивление Rд = RP • (n-1),

где RP - сопротивление измерительного механизма. Дополнительные резисторы делаются из манганинового проволоки. Они бывают щитовыми и переносными, калиброванными и ограниченно взаимозаменяемыми, т.е. такими, которые предназначены для приборов типа, имеющие одинаковые электрические параметры. Дополнительные резисторы применяются для напряжений до 30 кВ постоянного и переменного тока частот от 10 Гц до 20 кГц. По точности дополнительные резисторы разделяют на классы 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0.