книги из ГПНТБ / Быков М.А. Электрические измерения электрических величин [учеб. пособие]

На оси подвижной части прибора укреплены два одинако­ вых сердечника А и Б, обычно повернутые на 180° один относи­ тельно другого. Около каждого из сердечников имеется по одной неподвижной катушке. Обе неподвижные катушки кон­ структивно одинаковы, соединены последовательно, по, обеим протекает один и тот же измеряемый ток. Взаиморасположе­ ние сердечников и относящихся к ним катушек таково, что вращающие -моменты, созданные силами, возникающими в этих сердечниках при протекании по катушкам измеряемого тока, направлены в одну сторону и потому складываются.

Катушки включают таким образом, чтобы протекающий по ним ток создавал магнитные потоки пространственно взаимно противоположного направления, при равенстве их абсолютных значений (рис. I I 1-21, б).

Втаких условиях постороннее магнитное поле, приходящее

взону действия прибора, будет искажать рабочее магнитное поле каждой из катушек на одинаковые абсолютные значения, но с противоположным знаком: насколько оно увеличит вра­ щающий момент одного сердечника, настолько уменьшит вра­ щающий момент другого, а суммарный (результирующий) мо­ мент прибора останется примерно неизменным.

по катушке измерительного механизма, последовательно вклю­ ченной в электрическую цель.

Шунты с амперметрами электромагнитной системы не при­ меняются, так как уже собственное потребление измеритель­ ного механизма весьма значительно, да в шунте выделялось бы во столько раз большее .количество энергии, во сколько раз ток через него был бы больше тока в измерительном меха­ низме.

Кроме того, в целях получения необходимой температур­ ной компенсации шунтировать пришлось бы не только сам из­ меритель, но и соответствующее манганиновое сопротивление, которое было бы необходимо включить последовательно с из­ мерителем; все это вызвало бы еще большее собственное по­ требление во всей схеме прибора.

В цепях переменного тока в амперметре с шунтом могла бы появиться дополнительная погрешность, поскольку индук­ тивное сопротивление шунта по величине было бы соизмери­ мо с его активным сопротивлением.

По этой причине в амперметрах, рассчитанных на несколь­ ко пределов измерений, вместо шунта применяют секциониро­ вание катушки, причем отдельные секции могут включаться в

90

Достоинством амперметров электромагнитной системы яв­ ляется незначительное влияние температуры окружающей сре­ ды на показания прибора и частоты питающего источника, возникающее за счет размагничивающего действия вихревых токов в сердечнике. Рабочий диапазон их по частоте доходит до 1500 гц.

Электромагнитные вольтметры

Вольтметры электромагнитной системы имеют обычную схему включения: измерительный механизм прибора включа­ ется последовательно с добавочным сопротивлением.

Обмотка рамки вольтметра содержит несколько тысяч вит­ ков тонкой проволоки и на переменном токе представляет со­ бой значительное реактивное сопротивление.'Ввиду этого ча­ стота переменного тока значительно влияет на показания вольтметра — с ростом частоты возрастает реактивная состав­ ляющая катушки и показания прибора уменьшаются. Это ог­ раничивает рабочую частоту вольтметра, которая не превыша­ ет несколько сотен герц при классе точности 0,5—1,0.

нальным подборам температурную погрешность сводят к вели­ чинами, допустимым для данного класса точности вольтметра.

Электромагнитные логометры

Электромагнитные логометры используются для измерения многих электрических величин, таких, например, как частота,

трической цепи и обтекаются каждая своим током. Сердечни­ ки укрепляются на оси таким образом, что при повороте систе­

91

Вращающие моменты катушек при этом направлены встречно, и можно считать, что один из них будет вращающим, а дру­

Рис. 111-22

a i ,

Абсолютное значение до. при втягивании сердечника >в ка­

тушку / быстро уменьшается по мере поворота системы (по

часовой стрелке), а абсолютные значения —~- три этом быст­

ро увеличиваются при выходе сердечника из катушки 2.

до.

Из полученного выражения (III-15) следует, что угол по­ ворота подвижной части механизма пропорционален отноше-

нию токов в катушках I т. е. пропорционален

92

П р и б о р ы э л е к т р о д и н а м и ч е с к о й с и с т е м ы

В приборах электродинамической системы для перемеще­ ния подвижной части механизма используется энергия магнит­ ного поля двух катушек с токами, одна из которых (подвиж­ ная) прикреплена к подвижной оси прибора, а вторая (непо­ движная) — к его корпусу.

Схематическое изображение одной из конструкций элект­ родинамического прибора показано на рис. Ш-23.

Рис . Ш-23

Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций, соединен­

ных между собой последовательно или параллельно и отстоя­ щих одна от другой на некотором расстоянии с целью созда­ ния возможно более равномерного магнитного поля в центре системы, где расположена подвижная катушка 2.

Ток к подвижной катушке (или рамке прибора) подводит­ ся через спиральные пружинки (на рисунке не показанные), служащие одновременно для создания противодействующего момента. Кроме рамки и пружинок на оси прибора укрепля­ ются стрелка, грузики, поводок воздушного успокоителя, рас­ смотренные в § 2 настоящей главы.

Подвижная и неподвижная катушки в электродинамиче­ ских приборах могут иметь прямоугольную форму, подобную изображенной на рис. Ш-23, круглую или эллипсоидальную.

Вращающий момент в таких системах возникает от взаимо­ действия магнитных потоков катушек / -и 2: подвижна-я ка­

тушка или «рамка с током» стремится занять положение в пространстве, при котором ее магнитный поток совпал бы по направлению с магнитным потоком неподвижной катушки.

93

94

Уравнение шкалы электродинамического прибора на посто­ янном токе

dot

Рассмотрим работу прибора на переменном токе. Обозначим:

где ф—угол сдвига фаз между токами в катушках.

В силу инерции подвижная часть механизма отклоняется под действием среднего значения вращающего момента за период

Опуская преобразования и выражая токи в действующих зна­ чениях, получим

da

Аналогично предыдущему, приравнивая вращающий и противодействующий моменты, получим уравнение шкалы электродинамического прибора для переменного тока

применять электродинамический измерительный механизм, по­ мимо измерения тока и напряжения, для измерения міногих других электрических величин, таких, как мощность, сдвиг фаз и др.

Рассмотрим некоторые из этих приборов.

Электродинамические амперметры

В амперметрах электродинамической системы измеритель­ ный механизм прибора включается в электрическую цепь по­ следовательно с нагрузкой; подвижная и неподвижная катуш­ ки при этом могут быть включены последовательно или парал­ лельно друг другу. На рис. ПІ-24 неподвижная катушка обо­ значена цифрой 1, а подвижная — цифрой 2,

95

Последовательная схема включения катушек нашла при­ менение в амперметрах, рассчитанных на небольшие токи, не превышающие 0,5 а; параллельная схема применяется в при­ борах на токи более 0,5 а.

г

I ис. ІІІ-24

. В практике широко применяются многопредельные ампер­ метры, позволяющие менять номинальный ток шкалы поворо­ том ручки переключателя. В таких амперметрах неподвижная катушка состоит из нескольких секций, которые могут быть включены в схему в разных последовательно-параллельных комбинациях. Однако при таких переключениях ток в каждой секции при номинальной нагрузке должен оставаться строго неизменным для сохранения неизменными суммарной намаг­ ничивающей силы неподвижной катушки и ее магнитного поля.

Возможные комбинации соединений для двух- и трехпредельных амперметров изображены на рис Ш-25.

fi-

Рис . Ш-25

Для двухпредельной схемы (рис. II 1-25, а) при переходе от

последовательного к параллельному соединению ток изменит­ ся в отношении 1:2 (например, от 5,5 до 5 а), если секции име­ ют равное число витков.

Для грѳхіпредельного амперметра (рис. Ш-25, б) анало­ гичным образом получим три предела измерения с отношением номинальных токов 1:2:4,

96

В схеме рис. ПІ-24, а весь измеряемый ток / проходит че­

рез подвижную и неподвижную катушки. Следовательно, в уравнение шкалы электродинамического прибора (III-18) можно подставить Ii = h—I и cos<p=l. Тогда получим урав­

нение шкалы электродинамического амперметра

вид (Ш-19), так как токи, ответвляющиеся в подвижную и не­

квадрата тока и множителю - ^ . Для «выравнивания» шка­ лы амперметра создают конструкции, в которых характер из-

à'Mi3

менения множителя ^ и углом поворота компенсировал бы квадратичность шкалы за счет множителя /2 , аналогично тому, как это достигается в приборах электромагнитной системы.

Подбором размеров, формы и начального положения кату­ шек добиваются шкалы, близкой к равномерной на большей ее части. Лишь начальный участок, 20—30% длины, остается не­

равномерным и непригодным для измерений.

Температурные влияния на показания амперметров элек­ тродинамической системы сказываются по-разному, в зависи­ мости от схемы включения катушек прибора.

Вамперметрах с последовательной схемой температурная погрешность очень мала и определяется в основном измене­ нием упругости спиральных пружин.

Вамперметрах с параллельной схемой температурные влияния более значительны. Если температурные коэффициен­ ты параллельных ветвей не равны между собой, с изменением температуры по-разному меняется их сопротивление и проис­ ходит перераспределение токов в катушках, что приводит к появлению погрешности в показаниях прибора.

Аналогичное действие оказывает на прибор изменение ча­ стоты питающего источника.

Всхемах с последовательным включением катушек замет­ ная частотная погрешность может возникнуть лишь при до­ вольно высоких частотах (несколько килогерц) за счет междувиткового емкостного шунтирования в катушках прибора.

Всхемах-с параллельным включением катушек частотная погрешность может быть значительно больше, так как с повы-

7 255^— М. А, Быков и др.

шением частоты в разной степени меняется реактивное сопро­ тивление параллельных ветвей, изменяются абсолютные зна­ чения и фазы протекающих по ним токов, изменяется их вза­ имодействие.

Для устранения влияния температуры и частоты в схемы амперметров вводят элементы температурной и частотной ком­ пенсации. Для этого ІВ параллельные ветви включают допол­ нительно сопротивления из меди и манганина: Ri и R2 для ус­ транения температурных влияний и Li и L2—для устранения

влияния частоты (рис. III-26-).

Рис. Ш-26

Бели подобрать величины индуктивностей и сопротивлений такими, чтобы «постоянные времени» параллельных ветвей

были одинаковыми (т. е. чтобы соблюдалось равенство -ту —

== -^- у то относительного изменения сопротивлений в парал­ лельных ветвях не произойдет и погрешностей в показаниях прибора при изменении температуры й частоты не будет.

Электродинамические вольтметры

Схема электродинамического вольтметра состоит из непод­ вижной катушки /, подвижной катушки 2 и добавочного со­

противления Ядоб, включенных между собой последовательно (рис. ІІІ-27).

Обозначим через zB полное сопротивление вольтметра и

выведем уравнение шкалы прибора из общего уравнения (Ш-18). Вольтметр включается в электрическую цепь парал­

98

где св —конструктивная постоянная вольтметра.

Рис . ІІІ-27

-Шкала вольтметра неравномерна, поскольку угол отклоне­ ния подвижной части a пропорционален квадрату напряжения

и2 и множителю —= .

да

Аналогично тому, как это делается в электродинамических амперметрах, шкалу «.выравнивают», подбирая соответствую­ щую конструкцию катушек прибора так, что примерно 80% ее длины практически равномерно.

Температурная погрешность электродинамических вольт­ метров меньше, чем электродинамических амперметров.

При этом чем больше величина добавочного сопротивле­ ния /?доб по сравнению с сопротивлением рамки вольтметра, тем меньше влияние температуры на показания прибора.

Частотная погрешность возникает в вольтметрах этой си­ стемы вследствие изменения полного сопротивления прибора zB с изменением частоты. Поэтому электродинамическими

вольтметрами пользуются преимущественно для измерений в цепях сравнительно низкой частоты (до нескольких сотен герц). Для расширения частотного диапазона прибора-(до не­ скольких кгц) прибегают к частотной компенсации путем вклю

чекия емкости к части добавочного сопротивления, как это по­ казано на рис. Ш-28.

Электродинамические вольтметры выпускаются на один и несколько пределов измерения.