Урок 2. Электромагнитные измерительные приборы и их применение

Устройство. Электромагнитные измерительные приборы (ЭМИП) состоят из ИМ, OУ и ИЦ. В этих приборах для перемещения подвижной части используется энергия магнитного поля системы, состоящей из контура с измеряемым током и одного или нескольких сердечников, выполненных из ферромагнитных материалов. Получили распространение три конструкции ЭМИП: с плоской катушкой; с круглой катушкой; с замкнутым магнитопроводом:

• плоской катушкой (втягивание сердечника внутрь катушки с током);

• с круглой катушкой (взаимное отталкивание двух одноименно намагничиваемых сердечников);

• с замкнутым магнитопроводом (втягивание сердечника в рабочее пространство между полюсными накладками магнитопровода, на который насажена катушка).

На рис. 2.7 представлена одна из наиболее распространенных конструкций ЭМИП. Здесь 1 – катушка; 2 – сердечник, эксцентрично укрепленный на оси прибора; 3 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 – воздушный успокоитель.

Рис. 2.8. Устройство электромагнитного прибора.

Уравнение шкалы. Энергия электромагнитного поля катушки с током I выража­ется формулой

(2.20)

Используя выражение (2.1) можно записать:

(2.21)

Приравнивая вращающий момент к противодействующему, получим:

(2.22)

Из выражения (2.22) получаем уравнение шкалы электромагнитного прибора:

(2.23)

где W – удельный противодействующий момент пружины.

Из выражения (2.23) видно, что шкала электромагнитного прибора квадратичная. Конструктивно добиваются равномерности шкалы начиная с 1/5 части верхнего предела измерения.

Достоинства: простота конструкции, недорогие; не боятся перегрузок, высокая надежность, возможность работы в цепях постоянного и переменного тока.

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

Метрологические характеристики: классы точности 1,0; 1,5; 2,5. Частотный диапазон от 45 Гц до 10 кГц. Диапазон по току от 0,005 А до 300 А (при прямом включении), до 20000 А с ИТТ; по напряжению от 1,5 В до 60 В (при прямом включении), до 6000 В с ИТН, большое собственное потребление мощности, невысокая чувствительность, успокоение воздушное, шкала неравномерная

Применение: ЭМИП 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.

Рис.2.9. Электромагнитные измерительные приборы серии EQ

На рис. 2.9. представлены электромагнитные измерительные приборы серии EQ, которые используются для измерения переменного тока или напряжения; диапазон измерений от 100mА до 60А, от 6V до 600V ; сменные шкалы; работа с шунтами; монтаж на щите; габаритные размеры: 48 х 48, 72 х 72, 96 х 96. Класс точности 1,5.

С помощью ЭМИП измеряют постоянный и переменный ток и напряжение, емкость, индуктивность.

Измерение переменного тока и напряжения

Амперметры на токи 250-300 А непосредственно в цепь не включаются из-за сильного влияния на показания приборов магнитного поля токопроводящих проводов и значительного нагрева шины. Изменение предела измерения производится путем секционирования обмотки катушки и включения секций последовательно или параллельно. Для переключения секций используются штепсельные и рычажные переключающие устройства. Шунты для расширения пределов измерения по току в электромагнитных амперметрах не применяются. Расширение пределов измерения на переменном токе производится при помощи измерительных трансформаторов тока.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяются включения добавочных сопротивлений и секционирование. Для измерения больших напряжений (свыше 500 В) на переменном токе применяются измерительные трансформаторы напряжения.

Рис. 2.10. Вольтметр Э545

Представленный на рис. 2.10. Вольтметр Э545 электромагнитной системы на растяжках со стрелочным указателем предназначены для измерений силы переменного и постоянного тока. Успокоение приборов – воздушное. Длина шкалы - 112 мм. Время установления показаний не превышает 4 секунд. Класс точности - 0,5. Предел допускаемой основной погрешности вольтметров в нормальной области частот на переменном токе и на постоянном токе равен +0,5%, от конечного значения диапазона измерений. Нормальные значения влияющих величин соответствуют ГОСТ 8711-78. Предел допускаемой дополнительной погрешности вольтметров на переменном токе при отклонении частоты от нормальной области частот до любой частоты в рабочей области частот равен пределу допускаемой основной погрешности.

Предел допускаемой дополнительной погрешности вольтметров, вызванной изменением температуры окружающего воздуха от нормальной (20 + 2)ºС до любой температуры в пределах рабочего диапазона равен +0,5% от конечного значения диапазона измерений на каждые 10 ºС измерения температуры.

Собственное магнитное поле электромагнитных приборов невелико и внешние магнитные поля влияют на показания приборов. Для защиты от внешних магнитных полей применяется астазирование и экранирование.

На переменном токе возникает частотная погрешность, т.к. в сердечнике и в других металлических частях возникают вихревые токи, оказывающие размагничивающее действие на сердечник, вследствие чего вращающий момент на перемен-ном токе будет немного меньше, чем на постоянном.

Частотный диапазон - до 2000-3000 Гц, классы точности: 1,5; 2,5.

Измерение емкости и индуктивности

Фарадметры с электромагнитным измерительным механизмом на принципе логометра применяются при грубых измерениях относительно больших емкостей. Классы точности: 1,0; 1,5. Диапазон измерений: от 1 до 10 мкФ.

Для измерения индуктивности применяются генриметры на принципе логометров. Классы точности: 1,5; 2,5. Диапазон измерений: от 1 до 10 Гн.

Электродинамические измерительные приборы (ЭДИП)

Устройство. В электродинамических измерительных приборах (ЭДИП) для перемещения подвижной части используется энергия системы, состоящей из подвижного и неподвижного контуров с токами. Неподвижная часть может состоять из одной, чаще из двух катушек, соединенных между собой параллельно или последовательно, намотанных 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. На рис.2.11. приведена схема устройства измерительного механизма ЭДИП.

Внутри неподвижной катушки 1 вращается укрепленная на оси бескаркасная рамка 2 из изолированной проволоки. Ток к ней подводится по спиральным токоподводящим пружинам, служащим одновременно для создания противодействующего момента.

Рис.2.11. Устройство электродинамического прибора.

Уравнение шкалы. Электромагнитная энергия системы двух катушек с токами I₁ и I₂ будет:

где L₁ и L₂ – индуктивность неподвижной и подвижной катушек;

М – взаимная индуктивность катушек.

Индуктивности катушек L₁ и L₂ не зависят от положения в пространстве, поэтому первые два слагаемые равны нулю. Таким образом получим следующее выражение для М_ВР (2.1).

Приравнивая вращающий момент к противодействующему, получим:

Отсюда получаем выражение уравнения шкалы электродинамического прибора в общем виде:

Учитывая, что взаимная индуктивность М катушек зависит от расположения подвижной катушки относительно неподвижной, то можно представить уравнение шкалы в более общем виде:

(2.24)

Полученное уравнение действительно для случая работы ЭДИП на постоянном токе. На переменном токе показания ЭДИП зависят от произведения действующих значений токов I₁ и I₂ и от сдвига по фазе между этими токами:

(2.25)

Достоинства: используются в цепях постоянного и переменного токов, высокий класс точности.

Недостатки: большое собственное потребление энергии, 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.

Метрологические характеристики: классы точности: 0,05; 0,1; 0,2. Диапазон измерений по току: по постоянному току с 0,015 до 10 А (прямое включение), по переменному с 0,005 до 200 А (прямое включение), до 600 А с ИТТ; по напряжению: по постоянному с 1,5 до 600 В (прямое включение), с 7,5 до 6000 с Rдоб, по переменному до 30000 В с ИТН; большое собственное потребление мощности, шкала неравномерная, частотный диапазон до 40 кГц, невысокая чувствительность, время успокоения 4 с .

Применение ЭДИП: ЭДИП используются в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров (для расширения пределов измерения используется секционирование катушек, Rдоб, ИТТ и ИТН), частотомеров, фазометров (на принципе логометров).

ЭДИП применяются для измерения постоянного и переменного тока и напряжения, мощности, емкости (тем же способом, что и ЭМИП).

Рис. 2.12. Фазометр лабораторный Д5782.

Таблица 2.1.

Основные технические характеристики прибора
Класс точности	0,5
Номинальная частота, Гц	60
Номинальное напряжение, В	100; 220; 380
Номинальный ток, А	5; 10
Диапазон измерения угла сдвига фаз, град.	0-90-180-270-360
Габариты	230х280х140 мм.
Масса	6,5 кг.

Прибор электродинамической системы (см. рис. 2.12), переносной фазометр Д5782 предназначен для определения угла сдвига фаз между основными гармоническими составляющими тока и напряжения и величины косинуса в однофазных цепях промышленной частоты.

Измерение переменного тока и напряжения

У амперметров на токи до 0,5 А неподвижные и подвижные катушки соединяются последовательно. При таком соединении катушек компенсации частотной и температурных погрешностей не требуется, т.к. изменение t и F (до 2000-3000 Гц) не оказывают значительного влияния на показания приборов.

Рис. 2.13. Амперметр Д5078

При токах больше 0,5 А подвижная катушка соединяется параллельно с неподвижной. В этом случае необходима компенсация температурной и частотной погрешностей, которые возникают в результате перераспределения токов в катушках при изменении t и F. Для компенсации температурной погрешности необходимо, чтобы температурные коэффициенты сопротивления параллельных ветвей были одинаковые. Для исключения частотной погрешности необходимо, чтобы постоянные времени обеих катушек были бы равны между собой.

На рис. 2.13. представлен амперметр Д5078 - приборы электродинамической системы на растяжках со световым отсчетом, предназначенный для измерений силы тока в цепях переменного и постоянного тока.

Условия эксплуатации: Диапазон рабочих температур, ⁰С…. 10…35. Относительная влажность при 25^ОС, %…... 80..

Технические характеристики: Класс точности - 0,2. Номинальный коэффициент мощности ваттметра – 1. Габаритные размеры прибора, мм - 205х290х135. Масса, кг, не более - 4,3. Габаритные размеры корпуса трансформатора для питания лампы светового указателя, мм. - 65х85х45. Масса трансформатора, кг, не более - 0,5

У вольтметров неподвижная и подвижная катушки включаются последовательно. Для расширения пределов измерения применяют секционирование и измерительные трансформаторы напряжения.

Рис. Вольтметр Д5082

Вольтметр Д5082 (Д50152) - прибор электродинамической системы на растяжках со световым отсчетом, предназначен для измерений силы тока, напряжения и мощности в цепях переменного и постоянного тока.

Успокоение прибора Д5082 (Д50152) - воздушное. Измерительный механизм защищен от воздействия внешних магнитных полей.

Двухстрочная шкала общей длиной 300 мм выполнена с нониусными делениями, позволяющими повысить точность отсчета.

Основные технические характеристики прибора Д5082 Д50152:

• Класс точности: 0,2.

• Конечные значения диапазонов измерения, В: 75; 150; 300; 600.

• Активное сопротивление, Ом: 8840; 17680; 50000; 100000.

• Диапазон рабочих температур: от 10 до 35 °С.

• Относительная влажность: 80 % при 25 °С.

• Масса 4,3 кг, габариты 205х290х135 мм.

Для измерения постоянного тока и напряжение также возможно применение приборов электродинамической системы.

Измерение мощности

Приборы электродинамической системы используются для прямых измерений мощности в цепях постоянного тока.

Электродинамические ваттметры применяются как переносные приборы для точных измерений мощности (класс 0,1 – 0,5) в цепях постоянного и переменного тока.

Реактивная мощность также может быть измерена электродинамическим ваттметром. Отличие реактивного ваттметра от обычного состоит в том, что он имеет усложненную схему параллельной цепи с целью получения сдвига по фазе равным 90 градусам между векторами тока и напряжения этой цепи. Тогда отклонение подвижной части будет пропорционально реактивной мощности.

Ферродинамические приборы (ФДП) отличаются от ЭДИП тем, что неподвижная катушка 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 за счет наличия потерь на гистерезис и вихревые токи.

Достоинства: не боятся вибрации и тряски, внешние магнитные поля влияют на их показания.

Недостатки: на переменном токе погрешность возрастает за счет потерь на гистерезис, сказывается влияние частоты питающего напряжения и температуры внешней среды.

Метрологические характеристики: Классы точности 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5. Частотный диапазон от 10 Гц до 1,5 кГц, неравномерная шкала, меньшее собственное потребление мощности, чем у ЭДИП, время успокоения 4 с.

Применение: ФДП применяют в качестве амперметров, вольтметров, ваттметров, расширение пределов так же, как у электродинамических приборов.

Ферродинамические приборы используют для измерения постоянного и переменного тока и напряжения, мощности.

Измерение переменного тока и напряжения

Ферродинамические амперметры и вольтметры имеют такие же измерительные схемы включения неподвижных и подвижных катушек, что и электродинамические приборы. Ферромагнитные приборы кроме температурной и частотной погрешностей имеют еще специфические погрешности вызванные наличием сердечника. К ним относятся погрешности:

- от нелинейности кривой намагничивания;

- от потерь в материале на гистерезис и вихревые токи (магнитопровод изготовляют из материала с малой коэрцитивной силой).

Для расширения пределов измерения используются те же способы, что и для ЭДИП.

Измерение мощности

Ферродинамические (щитовые) ваттметры применяются для измерения мощности в цепях переменного тока (класс 1,5 - 2,5).

Измерение реактивной мощности в однофазных и трехфазных цепях осуществляется ферродинамическим ваттметром, специально предназначенным для измерения реактивной мощности ваттметром. Реактивные ваттметры преимущественно применяются для лабораторных измерений и для поверки реактивных счетчиков.