3.4 Измерение тока и напряжения

3.4.1 Измеряемые параметры тока и напряжения

При синусоидальной форме сигнала аналитическое выражение будет иметь вид

i = I_mSin(t + ); u = U_mSin(t + ), где

i, u – мгновенные значения силы тока и напряжения;

I_m, U_m – максимальное значение из всех мгновенных значений за период или полупериод (пиковое, или амплитудное, значение);

 - начальная фаза;

t – фаза.

Большинство электромеханических приборов реагирует на средневыпрямленное значение тока (напряжения) – среднее арифметическое абсолютных мгновенных значений за период:

или , где

Т – период измеряемого сигнала.

В технике переменных токов часто приходится иметь дело с тепловым и механическим воздействием тока. Количество теплоты и механическая сила зависят от квадрата мгновенного значения тока (напряжения), называемого среднеквадратическим значением тока (напряжения):

; .

Связь между пиковым и среднеквадратическим значениями устанавливается с помощью коэффициента амплитуды k_а ⁼ I_m / I_ск = U_m / U_ск.

Связь между среднеквадратическим и средневыпрямленным значениями тока (напряжения) устанавливает коэффициент формы k_ф ⁼ I_ск / I_св = U_ск / U_св.

Иногда для удобства расчетов вводят коэффициент усреднения k_у ⁼ k_а k_ф = =_. I_m / I_св = U_m / U_св.

Эти коэффициенты позволяют определить любой параметр переменного напряжения, если известен один из параметров и форма напряжения.

Кроме сигналов синусоидальной формы, в радиотехнике широко используются сигналы несинусоидальной формы. Характеристиками таких сигналов, кроме среднеквадратического и средневыпрямленного значений, являются максимальное, минимальное и среднее (постоянная составляющая) значения сигнала.

Необходимой предпосылкой правильного выбора прибора и метода измерения тока (напряжения) является знание частоты, формы, ожидаемого значения измеряемой величины и ряда других характеристик.

Для измерения тока и напряжения используются методы непосредственной оценки и сравнения.

3.4.2 Общие сведения об электромеханических приборах

Основным элементом электромеханического прибора является электромеханический измерительный механизм. Он предназначен для преобразования электрической энергии в механическую энергии перемещения подвижной части (чаще всего угловое) показывающего или регистрирующего прибора.

В зависимости от принципа действия (по способу преобразования электрической энергии в механическую) различают следующие основные системы измерительных механизмов (ИМ):

- магнитоэлектрические измерительные механизмы (МЭИМ);

- электромагнитные измерительные механизмы (ЭМИМ);

- электродинамические измерительные механизмы (ЭДИМ).

Электромеханический измерительный механизм (ЭИМ) прибора прямого преобразования состоит из неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и подвижной частей. Неподвижная часть в зависимости от системы ЭИМ состоит из постоянного магнита (в МЭИМ), ферромагнитных элементов (в ЭМИМ) или катушек (в ЭДИМ). Подвижная часть (рамка, катушка, сердечник) механически или оптически связана с показывающим устройством. Показывающее устройство ЭИМ состоит из шкалы и стрелочного или светового указателя.

Шкала СИ – часть показывающего устройства СИ, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

Показывающее устройство СИ – совокупность элементов СИ, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ, - согласовывается с абсолютной погрешностью СИ и превышает ее в 2 – 4 раза.

Область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы, определяет диапазон показаний СИ.

Область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИЮ, определяет диапазон измерений СИ. Класс точности средства измерений гарантируется только в диапазоне измерений.

Обозначения, наносимые на шкалы приборов, нормируются ГОСТ 23217 «Приборы электроизмерительные аналоговые с непосредственным отсчетом. Наносимые условные обозначения». Это единицы измеряемой величины; класс точности прибора; условные обозначения системы прибора и степени защищенности от магнитных и электрических полей; условное обозначение роды тока и числа фаз; условное обозначение рабочего положения прибора; условное обозначение испытательного напряжения изоляции; тип прибора и т.д. Кроме того ЭИМ могут иметь корректоры, предназначенные доля установки стрелки показывающего устройства на нуль.

Принцип работы ЭИМ заключается в следующем. Если ЭИМ включить в цепь постоянного тока, то под действием вращающего момента, функционально связанного с измеряемой величиной, подвижная часть поворачивается по отношению к неподвижной.

Вращающий момент для любой конструкции ЭИМ может быть определен из общего уравнения динамики системы, согласно которому момент, действующий в системе, определяется через изменением энергии W:

, где

 - угловое перемещение подвижной части (угол поворота).

Воздействие на систему только вращающего момента привело бы к отклонению подвижной части до упора. Для обеспечения перемещения подвижной части пропорционально измеряемой величине в ЭИМ создается противодействующий момент М_п (с помощью пружин, растяжек). Он пропорционален углу поворота:

М_п = k_п, где

K_п – удельный противодействующий момент, зависящий от размеров пружины и свойств материала.

При равенстве вращающего и противодействующего моментов наступает равновесие подвижной части. Тогда

М_в = М_п, следовательно, , откуда угол отклонения стрелки . Эти выражения справедливы для механических сил (для МЭИМ).

Если противодействующий момент создается за счет электрических сил (в ЭМИМ и ЭДИМ), то движение подвижной части прекращается при равенстве двух моментов противоположного направления:

М₁ = k₁  f₂()  x₁ – вращающий момент;

М₂ = k₂  f₂()  x₂ – противодействующий момент, где

х₁, х₂ – измеряемые электрические величины;

k₁, k₂ – удельные вращающий и противодействующий моменты.

В состоянии равновесия М₁ = М₂, и . Отсюда можно получить выражение для угла поворота , который будет зависеть от отношения измеряемых величин х₁ и х₂. Приборы, определяющие отношение двух величин, называются логометрами. В логометрах в обесточенном состоянии подвижная часть может находиться в любом положении, то есть стрелка прибора не устанавливается на нулевую отметку шкалы (что не является признаком неисправности прибора).

Подвижная часть прибора после каждого изменения своего положения устанавливается в равновесие после нескольких колебаний. На это требуется некоторое время, определяющее быстродействие прибора. Например, для ЭИМ время установления показаний не должно превышать 4 с. Для уменьшения времени установления показаний применяют успокоители следующих конструкций:

- воздушные, тормозящие стрелку за счет сопротивления воздуха;

- магнитоиндукционные, основанные на принципе Ленца;

- жидкостные.

Высокочувствительные измерительные механизмы создаются без успокоителей, что позволяет уменьшить массу подвижной части и, следовательно, возникающее трение.

Электроизмерительные приборы, выполненные на основе ЭИМ, по погрешностям измерений делятся на 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.