2.1 Измерение постоянного тока и напряжения электромеханическими измерительными приборами

Привет, Вы узнаете о том , что такое электромеханические измерительные приборы, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое электромеханические измерительные приборы, гальванометры, гальванометр, электромеханический вольтметр, электромеханические приборы, электромеханический прибор, измерение постоянного тока, изменение напряжения, , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.

План

2.1.1 электромеханические приборы основные понятия и классификация

2.1.2 Обозначение принципа действия прибора

2.1.3 Конструкциии и принцип действия электромеханических измерительных приборов

2.1.4 Мощность потерь энергии в приборах

2.1.1 Электромеханические приборы основные понятия и классификация

Для измерения напряжения и силы тока в прошлом веке (иногда еще и в настоящее время) широко применялись электромеханические приборы. Приборы этих систем часто входят в состав и других, более сложных, средств измерений.

По физическому принципу, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения.

Напряжение и силу тока измеряют приборами непосредственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторы). По структурному построению приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на три основных типа:

• электромеханические;
• электронные аналоговые;
• цифровые.

По физическому принципу действия, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электромеханические приборы относят к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой физической величины представляют класс приборов аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагируют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее обстоятельство позволяет производить измерение наиболее информативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические приборы строят по обобщенной структурной схеме, представленной на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 Структурная схема электромеханического прибора

Измерительная схема электромеханического прибора содержит совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину Х, на которую реагирует измерительный механизм. Механизм преобразует электрическую величину Х в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается на шкале отсчетного устройства прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины N(х). Для этого необходимо чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно, определенное отклонение α. При этом параметры схемы и измерительного механизма не должны меняться при изменении внешних условий; температуры окружающей среды, частоты питающей сети и других факторов.

Классификацию электромеханических приборов проводят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распространены в практике радиотехнических измерений следующие системы:

• магнитоэлектрическая,
• электромагнитная,
• электродинамическая,
• электростатическая.

2.1.2 Обозначение принципа действия прибора

Обозначения рода тока

Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции, влияющих величин

2.1.3 Конструкциии и принцип действия электромеханических измерительных приборов

Данные измерительные системы представлены в табл. 2.1, где приведены также формулы передаточной функции (уравнения шкалы) измерительного механизма и ряд его технических характеристик. В добавление помещенным в табл. 2.1 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.

Магнитоэлектрическая система. В данной системе измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием протекающего тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота α ограничивают специальной пружиной, поэтому передаточная функция (часто называемая уравнением шкалы) линейна:

, (2.1)

где ψ - удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией;

W - удельный противодействующий момент, создаваемый специальной пружинкой.

Для расширения пределов измерения амперметров и вольтметров применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно измерительным механизмам в схемы этих приборов.

1 – рамка с измеряемым током и стрелкой;

2 – неподвижный сердечник;

3 – полюсные наконечники;

4 – возвратная пружи

гальванометр ы . Особую группу измерителей силы тока представляют высокочувствительные магнитоэлектрические приборы - нуль - индикаторы, называемые гальванометрами.

Задача гальванометров показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обладать большой чувствительностью.

Гальванометры снабжают только условной шкалой. Поскольку чувствительность гальванометров очень высока, их градуировочная характеристика нестабильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов.

Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальванометры не градуируют в единицах измеряемой физической величины и им не присваивают классы точности (не нормируют по классам точности).

В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Чувствительность гальванометров выражается в миллиметрах или делениях шкалы (например, Si = 109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора.

Современные гальванометры позволяют измерять токи 10-5.напряжения до 10-4В.

Рис Гальванометр демонстрационный М 1032

Таблица 2.1 Электромеханические приборы

Электромагнитная система. Принцип действия этой системы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником.

Ферромагнитный сердечник втягивается в катушку при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что ферромагнетик располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось.

Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Однако он является низкочастотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индуктивное сопротивление катушки.

Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота конструкции, способность выдерживать значительные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока и на постоянном токе.

Недостатки приборов - большое потребление энергии, невысокая точность, малая чувствительность и сильное влияние магнитных полей. Приборы электромагнитной системы применяют в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов составляет 1,5 и 2,3.

Шкала прибора не линейна. Зато прибор может использоваться для измерения как постоянного, так и переменного тока

Рисунок Электромагниный вольтметр

Электродинамическая система - измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвижную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:

(2.2)

где Мвр - вращающий момент;

I1 - ток через неподвижную катушку;

I2 - ток через подвижную катушку;

θ - фазовый сдвиг между синусоидальными токами;

М - коэффициент взаимной индуктивности катушек.

На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток выполняют вольтметры, амперметры, ваттметры.

Достоинством электродинамических вольтметров и амперметров является высокая точность на переменном токе.

Предел основной приведенной погрешности может составлять 0,1...0,2 %, что является наилучшим достижимым показателем для измерительных приборов переменного тока. Электродинамические приборы используют как образцовые лабораторные измерительные приборы.

Принцип действия приборов электродинамической системы заключается во взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек, по которым протекает измеряемый ток. Подвижная катушка 1 (рис 3) может поворачиваться относительно неподвижной 2, состоящей из 2 частей, разделенных воздушным зазором. Под действием вращающего момента стрелка 4, укрепленная на оси 5, перемещается относительно шкалы 3.

Шкала прибора такого типа нелинейная. Прибор пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного тока

Рисунок Прецизионный электродинамический вольтметр Общий вид, Шкала и инструкция

Электростатические приборы - принцип действия электростатического механизма основан на взаимодействии электрически заряженных проводников.

Подвижная алюминиевая пластина, закрепленная вместе с указателем, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивает пружинка.

Уравнение рамки записывается в виде:

, С – емкость между пластинами.

Электростатические приборы по принципу действия механизма являются вольтметрами.

Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи.

Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.

Шкала приборов такого типа нелинейная.

Киловольтметр электростатический С196

2.1.4 Мощность потерь энергии в приборах

Электроизмерительные приборы потребляют при работе энергию, которая в них преобразуется обычно в тепловую энергию. Мощность потерь зависит от режима в цепи, а также от системы и конструкции прибора.

Если измеряемая мощность относительно мала, а следовательно, относительно малы ток или напряжение в цепи, то мощность потерь энергии в самих приборах может заметно влиять на режим исследуемой цепи и показания приборов могут иметь довольно большую погрешность. При точных измерениях в цепях, где развиваемые мощности сравнительно малы, необходимо знать мощность потерь энергии в приборах.

В табл. 2 приведены средние величины мощности потерь энергии в различных системах электроизмерительных приборов.

Система прибора	Вольтметры на 100 В, Вт	Амперметры на 5А, Вт
Магнитоэлектрическая	0,1 - 1,0	0,2 - 0,4
Электромагнитная	2,0 - 5,0	2,0 - 8,0
Индукционная	2,0 - 5,0	1,0 - 4,0
Электродинамическая	3,0 - 6,0	3,5 - 10
Тепловая	8,0 - 20,0	2,0 - 3,0

Контрольные вопросы:

1. Перечислите основные системы электромеханических приборов и дайте сравнительные характеристики по параметрам.

Магнитоэлектрическая система — измерительный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномерным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием тока I рамка вращается в магнитном поле, угол поворота ограничивается специальной пружинкой, в результате чего передаточная функция оказывается линейной

Разновидности систем приборов

• Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой — вращательный момент создается между неподвижным постоянным магнитом и подвижной вращающейся рамкой с намотанной на ней обмоткой по которой при измерении протекает ток. Вращающий момент рамки в таком приборе описывается законом Ампера — взаимодействия магнитного поля тока в обмотке рамки с магнитным полем постоянного магнита. Шкала магнитоэлектрического прибора является равномерной. Аналогом такой системы является электродвигатель постоянного тока обычного исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.
• Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом — вращательный момент создается между неподвижной обмоткой с током и подвижным постоянным магнитом. Эта система является аналогом магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой, но имеет более низкий класс точности — 4,0 и ниже, менее распространена и применяется, в основном, для указательных приборов транспортных средств, благодаря своей стойкости к внешним механическим воздействиям — вибрациям и ударам. Аналогом этой системы является двигатель постоянного тока обращенного исполнения с возбуждением от постоянных магнитов.

Замечание: Магнитоэлектрические приборы по своему принципу действия измеряют среднюю величину тока, а направление отклонения стрелки зависит от среднего направления тока в рамке, поэтому они могут применяться только для измерения токов с постоянной составляющей и требуют соблюдения полярности подключения . Магнитоэлектрические приборы непригодны для непосредственного измерения переменного тока, так как при подаче на такой прибор переменного тока стрелка будет дрожать вблизи нулевого значения с частотой переменного тока.

• Электромагнитная — вращательный момент создается между неподвижной обмоткой с током и подвижным ферромагнитным сердечником изготовленным из магнитомягкого ферромагнитного материала.

Принцип действия приборов этого типа — взаимодействия тока и ферромагнитного тела. Особенностью таких приборов является квадратичная зависимость вращающего момента от тока в обмотке, и такие системы могут применяться для измерения как постоянных так и переменных токов. Эти приборы имеют неравномерную шкалу. Аналогом такой системы является реактивный двигатель, работающий в соответствии с законом сохранения импульса.

• Электродинамическая — вращательный момент создается между двумя обмотками с током: подвижной и неподвижной. Вращательный момент пропорционален произведению токов в обмотках. Электродинамическое усилие основано на взаимодействии магнитных полей обмоток (закон Ампера). Аналогов такой системы в двигателях не существует, в связи с малыми вращающими моментами.
• Ферродинамическая система подобна электродинамической, но для увеличения вращательного момента в конструкции предусматривается сердечник из ферромагнитного материала. Аналогом такой системы является двигатель постоянного тока нормального исполнения.

Электродинамические и ферродинамические системы применяют в вольтметрах и амперметрах, но чаще всего в — ваттметрах и варметрах.

• Индукционная — вращающий момент создается бегущим или вращающимся магнитным полем неподвижных обмоток (для создания бегущего поля токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе) и токами Фуко, наводимыми во вращающемся неферромагнитном диске (обычно алюминиевом). В индукционной системе измеряемой величиной может быть скорость вращения диска и полное число его оборотов, которое подсчитывается и отображается механическим счетчиком. Тормозной демпфирующий момент в этом случае создается взаимодействием магнитного поля постоянного магнита и магнитного моля токов, наводимых в диске. Иногда индицирование индукционной системе производится с помощью стрелки — в таком случае тормозной момент создается пружиной. Вращающий момент в индукционной системе равен произведению магнитных потоков в сердечниках обмоток и также зависит от угла сдвига между их фазами их токов. Аналогом этой системы является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Такую индукционную систему измерения чаще всего применяют в счетчиках потребленной электрической энергии.
• Электростатическая — вращающий момент создается между подвижным и неподвижным электродами из-за взаимодействия электрических зарядов. Вращательный момент возникает согласно закону Кулона.
• Логометрическая — система отличается от предыдущих принципом создания тормозного момента — здесь тормозной момент создается с помощью специальной обмотки. Логометрическая система подразделяется по принципу создания вращательного момента: магнитоэлектрический логометр, электромагнитный логометр, электродинамический логометр, ферродинамический логометр. Особенностью логометров является безразличное положение стрелки на шкале до момента подключения прибора, так как подвижная система не имеет пружин.
• Вибрационная — система, в которой используются другой принцип измерения, не основанный на равенстве вращательного и возвращающего момента. В вибрационных приборах используется явление электромеханического резонанса. В приборе устанавливаются несколько разной длины упругих язычков с разными частотами механического резонанса из ферромагнитного материала, возбуждаемыми магнитным полем одной обмотки. При подаче переменного тока в обмотку язычки колеблются с разной амплитудой. Амплитуда колебаний язычка с наиболее близкой собственной резонансной частотой к частоте возбуждающего тока максимальна, это индицирует примерную частоту тока в обмотке. Этот принцип измерения используется в язычковых частотомерах промышленной частоты.
• Тепловая — электрический ток, протекая через проводник, вызывает его нагревание и удлинение вызванное тепловым расширением материала, которое регистрируется измерительным механизмом. За счет тепловой инерции нагреваемого элемента усредняются быстрые изменения тока. Примеры использования: автомобильные приборы, предназначенные для измерения уровня топлива в топливном баке, температуры охлаждающей жидкости в двигателе внутреннего сгорания, автомобильные манометры, показывающие давление моторного масла в системе смазки двигател

2. Почему магнитоэлектрический механизм работоспособен только на постоянном токе?

3. Какие системы электромеханических приборов являются высокочастотными?

4. Поясните структурную схему электромеханического прибора.

Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины Х в электрическую величину Х', на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь, преобразует электрическую величину Х' в механическое угловое или линейное перемещение , значение которого отражается по шкале счетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой ве­личины N(х).

Рис.. Структурная схема электромеханического прибора

5. Как работает прибор электромагнитной системы?

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля катушки, создаваемого измеряемым током, со стальным сердечником, помещенным в это поле. Неподвижная катушка 1 (рис. 2) состоит из каркаса с навитой изолированной медной проволокой или медной лентой. При протекании измеряемого тока по обмотке катушки в ее плоской щели 2 создается магнитное поле. Вне катушки на агатовых подпятниках устанавливается ось 8 с эксцентрично укрепленным сердечником 4 из магнитомягкой стали со стрелкой 5. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его внутрь щели, поворачивая тем самым и ось со стрелкой прибора. Этому повороту препятствует закручивающаяся спиральная пружина 6, создающая противодействующий момент.

Рис 2

6. Принцип действия электродинамического прибора.

Принцип действия приборов электродинамической системы основан на механическом взаимодействии двух катушек с токами. На рисунке 3 изображен измерительный механизм электродинамического прибора с воздушным успокоителем 3.

Неподвижная катушка 1 состоит из двух секций (для создания однородного поля) и навивается обычно толстой проволокой.

Легкая подвижная катушка 2 помещается внутри неподвижной и жестко скрепляется с осью и стрелкой. Подвижная катушка включается в измеряемую цепь через спиральные пружины, создающие противодействующий момент.

Если токи в катушках 1 и 2 принять равными соответственно

Рис. 3

, то их взаимодействие создаст вращающий момент стремящийся повернуть подвижную катушку так, чтобы энергия магнитного поля системы двух катушек стала наибольшей (до совпадения направлений полей). При этом поворот подвижной катушки произойдет за счет энергии магнитного поля катушек. Тогда вращающий момент действующий на подвижную катушку , можно представить в следующем виде:

где — энергия магнитного поля катушек; а — угол поворота подвижной катушки.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Переменный ток
• Постоянный ток
• Магнитное поле
• Электроческое поле
• Вольтметр
• Амперметр
• Мультиметр
• Напряжение
• Сила тока

Информация, изложенная в данной статье про электромеханические измерительные приборы , подчеркивают роль современных технологий в обеспечении масштабируемости и доступности. Надеюсь, что теперь ты понял что такое электромеханические измерительные приборы, гальванометры, гальванометр, электромеханический вольтметр, электромеханические приборы, электромеханический прибор, измерение постоянного тока, изменение напряжения, и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.