Дәріс. Аналогтық аспаптардың өлшеуіш механизмдері

Дәрістің мазмұны:

1 Электр шамаларын өлшеу үшін қолданатын әртүрлі жүйелерде істейтін өлшеуіш механизмдердің жұмыс істеу принциптері және шартты белгілері.

2 Өлшеуіш механизмдердің бір-бірінен айырмашылықтары, артықшылықтары және кемістіктері.

Дәрістің мақсаты:әртүрлі жүйелерде істейтін өлшеуіш механизмдерді бір-бірінен ажырата білу, жұмыс істеу принципін және олардың метрологиялық сипаттамаларын игеру.

Әр түрлі электр шамаларын өлшеу үшін магнитоэлектрлік, электромагниттік, электрдинамикалық, ферродинамикалық және электростатикалық жүйелерде істейтін өлшеуіш механизмдер (ӨМ) қолданады. 4.1суретте ӨМ жүйелерінің шартты белгілері келтірілген.

а) б) в) г) д)

4.1 Сурет – Өлшеуіш механизм жүйелерінің шартты белгілері

Бұл суретте солдан оңға қарай: магнитоэлектрлік (а), электромагниттік (б), электродинамикалық (в), ферродинамикалық(г) және электростатикалық (д) жүйелер.

Магнитоэлектрлік жүйе. Бұл жүйелік аспаптар тұрақты магниттің магнит өрісімен тоғы бар орауыштың өзара электрмагниттік әрекетіне байланысты жұмыс істейді. Оның конструкциясы 4.2 суретте келтірілген.

 

 

4.2.Сурет – Магнитоэлектрлік жүйедегі өлшеуіш механизмнің конструкциясы, суретте келтірілген белгілер: 1– В индукциялы тұрақты магнит NS; 2 – магнитжүргізгіш; 3 – полюстік ұштықтар; 4 – өлшеуіш орауыш: оралым саны, оның өлшемі bхһ 5 – өзекше; 6 – серппе; 7 – аспаптың тілі; 8 – нолдік түзеткіш; а – дөнгелек, б – жалпақ магнитпен.

Өлшейтін ток қарсылық серппе арқылы орауыш арқылы өткен кезде аспаптың тілі мына заңмен шкаланың бірер шама бөлістерін көрсетеді

(4.1)

мұнда В – индукция;

W – серппенің меншікті қарсылық моменты;

S – ӨМ-ның сезімталдығы;

w – оралым саны.

Айнымалы токты өлшегенде айнымалы токты тұрақты токқа айналдыратын түрленгіштер қолданады. Магнитэлектрлік аспаптың артықшылықтары: сезімталдығы, аз мөлшерлі токты өлшегенде айналым моменттің жеткіліктігі, сыртқы магнит өрістердің әсері аздығы, энергияны аз пайдалану және өлшейтін объектіге әсері аздығы.

Оның кемшіліктері: конструкциясының қиындығы, сондықтан қымбаттығы, өлшейтін токтың мөлшерінің аздығы, ең көп болғанда 500мА.

Магнитоэлектрлік аспаптар тұрақты токты өлшейтін амперметр не вольтметр ретінде көп қолданылады. Оларды дәлдік кластары 0.1; 0.2; 0.5 шамада.

Электромагниттік жүйенің өлшеуіш механизмінің жұмысы өлшейтін ток тұрақты орауыштан өткенде пайда болатын магниттік өрістің жылжымалы феррамагниттік тіліктің (пластина) арасындағы электрмагниттік әсерге негізделген. Аспапты ток тізбегіне қосқанда өзек орауыштың ішкі кеңістігіне тартылады. Теңбе теңдікті сақтауға серппе қолданылады.

. (4.2)

Аспаптың шкаласының тәуелділік теңдеуі: Мұндағы L – орауыштың индуктивтігі. Электромагниттік аспаптардың шкалалары біркелкі болып орналаспаған. Олар тұрақты токты да өлшейді. Көбінесе олар айнымалы токті өлшеуіш амперметрлер мен вольтметрлер болып саналады.

Электромагниттік аспаптың артықшылықтары: тұрақты және айнымалы токтарды өлшеуге болатындығы, өлшеу аумағының кеңдігі, токтар 200А дейін, кернеулерді 600В өлшейді. Дәлдік класы 1,0; 1,5 дейін.

Оның кемшіліктері: шкаласы біркелкі емес, сезімталдығы төмен (әсіресе шкаланың басында), энергияны көп пайдалануы (сондықтан, электромагниттік милливольтметрлер жоқ), сыртқы магниттік өрістердің әсері бар.

Электродинамикалық өлшеуіш механизмның жұмыс істеу принципі магнитоэлектрлік механизммен бірдей, бірақ бір айырмашылығы бар, ол егер магнитоэлектрлік механизмде магнит өрісі тұрақты магнит арқылы пайда болса, ал электродинамикалық механизмде өлшейтін ток тұрақты орауышты өткенде пайда болады. Бұл механизмде магниттік материалдар қолданылмайды, сондықтан қалдық, магниттелудің, гистерезистің, не құйын токтың, өлшеу қателіктеріне әсері жоқ. Конструкцияның тетіктері және бекіту ұйықтары (узел) күйіктастан (керамика) жасалады. Тұрақты жалпақ жұмысшы орауыштың ішіне жылжымалы орауыш орналастырылған. Екеуіненде ток жүргенде айландыру моменті пайда болады, сол арқылы көрсету мәнін білеміз. Шиыршықты серппе арқылы жылжымалы орауышқа ток әкелінеді және оның арқасында механикалық тепе – теңдік (қайтару) моменті пайда болады. Аспаптың көрсеткіш тілшігі ауакамералық демпфер арқылы тыныштандырылады.

Аспаптың шкаласының теңдеуі мына түрде берілген

(4.3)

мұнда I_m,I_ж – тұрақты және жылжымалы орауыштардағы токтар;

М – екі орауыштың арасындағы өзара индуктивтігі;

φ -екі токтың фазаларының айырмашылықтары.

 

4.7. Сурет – Электродинамикалық амперметр мен вольтметрлердің өлшеу тізбектерінің сұлбасы

 

Миллиамперметрдің өлшеу тізбегі (4.7 а) орауыштарды бірінен кейін біреуін қосқандықтан тұрады, сондықтан

I_m=I_ж=I, (4.4)

. (4.5)

Бұл аспаптың шкаласы практикалық жүзде біркелкі, бірақ шкаланың басталарында 10 – 12% і жұмысқа жарамсыз.

Вольтметрдің өлшеу тізбегі (4,7.б) тағыда қосымша кедергіден тұрады:

I=I_m=I_ж=U₁ / R₁ (4.6)

Сонда аспаптың көрсетуі

. (4.7)

Электродинамикалық аспаптардың басқалардан өзгешілігі, оның тұрақты және айнымалы токтарды өлшеуге болатындығы, жоғары деңгейдегі өлшеу дәлдігі (дәлдік кластары 0,5;1.0 және 1,5) және оның көрсеткіштерінің уақытты тұрақтылығы.

Оның кемшіліктері: кіші деңгейдегі сезімталдығы, шкаласының біркелкі еместігі және энергияны көп пайдалануы (милливольтметрлер жоқ).

Бұл аспаптардың қолданылу өзгешеліктерінің бірі оның токтың бағытымен мәнінің өзгеруіне сезімталдығы. Сондықтан олар ваттметр, частотомер және фазометр ретінде қолданылады. Әдетте ваттметрдің шкаласы біркелкі болып келеді.

Ферродинамикалық өлшеуіш механизм электрдинамикалық өлшеуіш механизмнің бір түрі болып саналады, онда жұмысшы ағын (магнит өрісі) жеке магнитөткізгіште жиналған. Жұмысшы ағынды пайда қылатын орауыш магниттік өзекшеге орналасады. Бұл жағдай өлшеуіш механизмінің бекем болуына және айналма моменттің жоғары деңгейде болуына әкеп соғады.

Жылжымалы орауыш өзінің магниттік өзекшесіне орналасады. Мұндай конструкция өзекшедегі құйын токтарға кететін шығын аз болатынын көрсетеді. Шығыршықты серппе арқылы жылжымалы орауышқа ток әкелінеді және механикалық қарамақарсылық момент пайда болады. Тынышталу ауа арқылы не индукциялық тәсілмен жасалынады. Ферродинамикалық өлшеуіш механизмнің шкаласы токты не кернеуді өлшегенде квадраттық болып келеді, ал қуатты өлшегенде біркелкі болады. Кәзіргі кезде бұл механизм айнымалы токтың қуатын өлшеуге қолданылады.

Бұл өлшеуіш механизмдердің ерекшеліктері: үлкен айналдырма моменті, өзіндік күшті магнит өрісі, сыртқы магнит өрісінің әсері жоқ, электр энергиясының шығындауы электродинамикалық механизмдерге қарағанда аз.

Үлкен айналдырма моментінің барлығына сәйкес бұл механизмдерді қолданып түрлі ауқымда істейтін өздігінен жазатын ваттметрлер жасалған.

Электрстатикалық өлшеуіш механизмдер тек қана үлкен тұрақты не айнымалы токтың кернеулерін өлшеуге арналған.

Бұл аспаптардың жұмысы зарядталған екі пластиналардың бір біріне электрлік әсеріне негізделген. Оның шкаласының теңдеуі

(4.8)

мұнда dc / dα – өлшеуіш механизмінің кіріс сыйымдылығының өзгеруі.

Басты ерекшеліктері: кіріс кедергісінің үлкендігі, синусоидал емес кернеудің әрекет мәнін өлшеуге болатындығы.