3.Приборы термоэлектрической системы

Термоэлектрические измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектрического преобразователя и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь представляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихрома или константана) и термопары. ТермоЭДС термопары е_т зависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от температуры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока i(t).

Протекающий по нагревателю термоэлектрического преобразователя ток i(t) (переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока.

Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектрическому измерительному механизму. Ток I_м, текущий через измерительный механизм: I_м=е_т/R_Σ, где е_т – термоЭДС термопары; R_Σ – суммарное сопротивление термопары и ИМ.

Показание прибора α определяется по следующей формуле:α=kI², где k – коэффициент пропорциональности, определяемый особенностями конструкции термоэлектрического преобразователя; I – действующее значение измеряемого тока i(t).

Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значения термоЭДС термопары незначительны – единицы – десятки милливольт) в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения термоэлектрических амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока.

Преимущества: работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями; реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала; широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц); сравнительно высокая точность приборов.

Недостатки: невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности термоэлектрического преобразователя; заметное собственное потребление приборов от источника исследуемого сигнала; неравномерность (квадратичность) шкалы приборов; зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары; малая перегрузочная способность.

4.Приборы электромагнитной системы

В щитовых измерительных приборах, предназначенных для работы в электрических цепях переменного тока промышленной частоты, широко применяется электромагнитная система, ко­торая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической.

Конструкция и принцип действия. В основе самой простой конструкции этого измерительного механизма полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра).

Протекающий по катушке ток создает магнитный поток, который притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник, выполненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси.

При этом возникает вращающий момент М, равный производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота α: М= , где I – действующее значение тока в катушке; L – индуктивность катушки; α – угол поворота сердечника.

Спиральная пружина служит для создания противодействующего момента М_ПР: М_ПР=αΩ, где Ω – удельный противодействующий момент.

Моменты М и М_ПР направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота α противодействующий момент М_ПР пропорционально растет. Это происходит до тех пор пока моменты не станут равными. При М= М_ПР: =αΩ. Следовательно, угол поворота . Отсчетное устройство – стрелка и шкала – преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет).

Из последнего уравнения следует, что ЭМ приборы могут ра­ботать как в цепях постоянного, так и переменного тока; а также, что шкала у ЭМ приборов – нелинейная (квадратичная).

Существуют и другие конструкции ЭМ измерительных механизмов, в частности с замкнутым магнитопроводом, которая обес­печивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей.

В основе конструкции амперметров ЭМ системы лежит катушка, состоящая из нескольких секций, переключением которых можно изменять пределы измерения токов: I₁ > I₂ > I₃.

В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор R_V. В такой схеме с ростом частоты напряжения ω линейно растет индуктивное сопротивление X_L катушки измерительного механизма: X_L =jωL.

Достоинства: измерения постоянных и переменных напряжений и токов; выдерживают значительные перегрузки; имеют ростую конструкцию, надежны и дешевы.

Недостатки: узкий частотный диапазон измеряемых сигналов; заметное влияние внешних магнитных полей; невысокий класс точности.