Разновидности измерительных механизмов

2. 2. 1. Электростатический ИМ

Принцип действия основан на взаимодействии двух систем заряженных проводников, одна из которых В является подвижной (рис. 1.3).

 

Рис. 1.3

Конструктивно такой ИМ представляет собой разновидность плоского конден­сатора переменной емкости. Измеряемое напряжение U, приложенное к пластинам А и В, создает между ними электростатическое поле, энергия которого

, (1.3)

где С – емкость между пластинами.

Уравнения преобразования получаем аналогичным путем как и для электродинамического ИМ.

(1.4)

Анализируя уравнение (1.4) и устройство ИМ (рассматривается ма­кет прибора) отмечаем следующие свойства ИМ:

1. Шкала прибора квадратичная. Поэтому ИМ можно использовать как в цепи постоянного, так и переменного тока. Однако неравномер­ность шкалы является и недостатком этой системы.

2. Высокое входное сопротивление и ничтожно малое потребление мощности.

3. Широкий частотный диапазон;

4. Независимость показаний от формы кривой измеряемого U.

5. Малая чувствительность из-за слабого собственного электричес­кого соля, необходимость экрана, возможность пробоя между элект­родами.

Эти свойства определяют и область применения этой системы. Элект­ростатический ИМ используется в вольтметрах для измерения U в широком частотном диапазоне (20Гц – 30 МГц) в маломощных цепях, а также для измерения высокого U (до сотен киловольт) без доба­вочных резисторов (классы 1,0 – 1,5 – 2,5, помогут быть и более точ­ными кл. 0,1, 0,05).

 

2. 2. 2. Электромагнитный ИМ

Вращающий момент в этом механизме создает в результате взаимо­действия магнитного поля катушки 1 с током и сердечником 2 из магнитомягкого материала (рис. 1.4).

При прохождении тока I по обмотке катушки 1 под действием сил поля сердечник 2 втягивается внутрь ка­тушке 1, вращаясь вокруг оси 3.

Ось укрепляется на опорах или рас­тяжках.

Рис. 1.4

Успокоение используется воздушное или магнитоиндукционное.

Электромагнитная энергия системы:

(1.5)

Уравнение преобразования имеет вид:

(1.6)

Из уравнения (1.6) видно, что шкала у прибора будет неравномерной, однако, подбирая форму сердечника или полюсных пластин т.е. из­меняя добиваются значительно спрямления шкалы. ИМ пригодны для работы с постоянным и переменным током; устойчивы к перегрузкам, т.к. ток подводится к неподвижной части ИМ; показания не зависят от формы кривой тока; конструкция проста и надежна и стоимость низкая. К недостаткам этой системы относится относительно большое потреб­ление мощности; невысокая точность, малая чувствительность, вли­яние внешних магнитных полей. Электромагнитные ИМ используются в амперметрах и вольтметрах.

 

2. 2. 3. Магнитоэлектрический ИМ

Принцип действия основан на взаимодействии поля постоянного магнита с рамкой, по которой проходит измеряемый ток.

Применяются ИМ с подвижной рамкой (ка­тушкой) и неподвижным магнитом, так и наоборот с подвижным магнитом и непод­вижной катушкой. Различает также ИМ с внешним и внутрирамочным магнитом.

Рассмотрим эту систему на примере ИМ с внешним магнитом и подвиж­ной рамкой (рис. 1.5). Основными элементами являются сильный пос­тоянный магнит 1 из магнитотвердого материала, магнитопровод и сердечник 2 из магнитомягкого материала, и рамка 3 из тонкого мед­ного провода, намотанного на каркас (или без него). Используются любые типы опор. Успокоение магнитоиндукционное за счет самой рамки.

Рис. 1.5

Уравнение преобразования имеет вид:

(1.7)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре;

S – активная площадь рамки;

w – число витков обмотки рамки;

Из уравнения (1.7) видно, что шкала равномерная и изменения направления тока изменяет направление отклонения рамки. Поэтому при включении прибора в цепь постоянного тока необходимо соблюдать полярность. Для включения ИМ в цепь переменного тока из-за инерционнос­ти подвижной части ИМ будет реагировать на среднее значение М_в = 0. Достоинства ИМ рассматриваемой системы следующие: высокая чувстви­тельность; малое потребление энергии; большая точность (из-за высокой стабильности элементов, незначительного влияния внешних полей и т.д.); равномерность шкалы. Класс точности 0,1; 0,2; 0,5; 1. К недостаткам относятся: сложность изготовления; пригодность только для измерений на постоянном токе; плохая перегрузочная способность; влияние температуры на точность.

Магнитоэлектрические ИМ, как видим, обладают очень ценными свойствами. Поэтому они широко используются для измерений различных электрических и механических величин. Их используют в многопредельных амперметрах и вольтметрах, в логометрах и гальванометрах.

 

2.2.4. Амперметр

При измерении тока измерительный механизм включается в цепь последовательно (рис. 1.6) и его сопротивление должно быть как можно меньше, для того чтобы режим цепи не изменился.

 

Рис. 1.6

Мощность потребляемая амперметром равна

Определим методическую погрешность, которая возникает в результате включения амперметра и потребления им энергии из цепи. Для этого необходимо знать внутренне сопротивление при­бора R_A. Действительное значение тока I_д в цепи (при R_A =0) определяется отношением U / R, а измеренное равно
U /(R + R_A).

Относительная погрешность метода

(1.8)

2.2.5. Вольтметр

При измерении напряжения ИМ (рис. 1.7) сопротивление его должно быть большое, так как мощность потребляемая вольтметром равна . Относительная погрешность метода, которая возникает при подключении вольтметра будет равна

(1.9)

где U_B – напряжение на зажимах вольтметра.

Для увеличения R_B в вольтметрах магнитоэлектрической системы, как правило, последовательно с ИМ включается добавочный ре­зистор.

 

Рис. 1.7

Погрешности амперметров и вольтметров магнитоэлектрической системы возни­кают также при изменении температуры, причем, наиболее неблагоприятным в этом отношения является амперметр с шунтом. В приборах высокого класса точности для компенсации температурной погрешности применяются специальные схемы.