2. Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия

Большинство электроизмерительных приборов имеют шкалу отсчета, и стрелку, перемещающуюся вдоль шкалы (кроме приборов с цифровой индикацией и некоторых других). Для перемещения стрелки необходимо приложить к ней силу, зависящую от измеряемой величины. Следовательно, сердцевиной прибора является преобразователь электрической (или магнитной) энергии в механическую. В зависимости от способа получения механической силы и происходит классификация приборов по принципу действия. Далее, для того чтобы стрелка остановилась в каком-то определенном положении, необходима некоторая механическая сила (или момент сил), противодействующая рассмотренной выше силе (обычно – спиральная пружинка); и необходимый последний элемент конструкции прибора демпфер (воздушный или индукционный) для гашения механических колебаний.

Приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Действие магнитоэлектрических приборов основано на взаимодействии постоянного магнитного поля с подвижной рамкой, по которой протекает измеряемый ток.

М агнитное поле создается постоянным магнитом подковообразной формы (1), к ножкам которого закреплены полюсные наконечники (2) (рис.2.1). Между ними неподвижно укреплен железный сердечник (3). В небольшом воздушном зазоре между железным сердечником и полюсным наконечником может свободно поворачиваться на оси алюминиевая рамка (4) прямоугольной формы с намотанной тонкой проволокой, где жестко закреплена стрелка (5), конец которой может перемещаться вдоль шкалы с делениями. При пропускании тока на рамку действует вращающий момент сил, под действием которого катушка стремится повернуться. Противодействующий момент создается спиральными пружинками (на рис. 2.1 не указано). При пропускании тока через обмотку рамки она будет поворачиваться до тех пор, пока противодействующий момент, увеличиваясь с углом отклонения, не станет равным вращающему моменту. В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент пропорциона­лен силе проходящего тока M₁=K₁I. Противодействующий момент пропорцио­нален углу закручивания M₂=K₂ . При равновесии подвижной части прибора эти моменты равны. Следовательно, угол поворота стрелки:

(2.1)

Линейная зависимость между током и углом отклонения обеспечивает равномерность шкалы приборов .

Успокоение колебаний рамки обусловлено взаимодействием индукционных токов в алюминиевом каркасе рамки с магнитным полем.

Достоинства магнитоэлектрических приборов:

– высокая чувствительность и точность показаний;

– нечувствительность к внешним магнитным полям;

– малое потребление энергии;

– равномерность шкалы;

К недостаткам приборов этой системы относятся:

– измерение только в цепях постоянного тока;

– чувствительность к перегрузкам.

Приборы электродинамической системы используются для измерения силы тока, напряжения или мощности в цепях постоянного и переменного токов. Принцип действия приборов электродинамической и магнитоэлектрической систем аналогичны. Отличие заключается в способе получения магнитного поля (рис.2.2).

Действие электродинамических приборов основано на взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки с током 1, (рис.2.2) с подвижной рамкой с током (2).

Г ашение механических колебаний осуществляется воздушным успокоителем (З).

В зависимости от назначения прибора неподвижную и подвижную катушки соединяют последовательно, параллельно, либо пропускают разные токи (ваттметры).

Вращающий момент , действующий на подвижную катушку (2), пропорцио­нален как току в неподвижной катушке (1), так и току в подвижной катушке: .

Пружинки (4) создают противодействующий момент, пропорциональный углу поворота: . Следовательно, при равновесии угол отклонения стрелки (5): . Если катушки соединены последовательно, то токи равны: и . Следовательно, шкала прибора неравномерная.

Достоинства электродинамических приборов:

- возможность измерять как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока;

- достаточно высокая точность.

Недостатки:

- неравномерность шкалы у амперметров и вольтметров;

- чувствительность к магнитным полям;

- большая чувствительность к перегрузкам.

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения силы тока и напряжения в цепи переменного и постоянного тока.

Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки, с подвижным сердечником (рис.2.3).

К атушка с током (1) играет роль электромагнита, к которому притягивается железный сердечник (2). Магнитное поле катушки пропорционально силе тока.

Намагничивание железного сердечника также увеличивается с возрастанием тока. Поэтому можно приближенно считать, что в электромагнитном приборе вращающий момент пропорционален квадрату тока: . Противодействующий момент , следовательно,

. (2.2)

Как видно из последней формулы, шкала прибора не равномерная, а квадратичная, и, как следствие, прибор можно использовать для измерения как постоянного, так и переменного тока.

Достоинства приборов электромагнитной системы:

– возможность измерения как постоянного, так и переменного тока;

– механическая прочность;

– выносливость к перегрузкам.

Недостатки:

– неравномерность шкалы;

– низкая точность;

– влияние внешних магнитных полей.