Измерения электрических и магнитных величин. Средства измерений электрических величин

1.

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕНО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
ВОЕННЫЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР
814-244
«Измерения электрических
и магнитных величин»
Военно-специальная подготовка
Раздел № 3. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И МАГНИТНЫХ ВЕЛИЧИН И ИХ ПОВЕРКА
Тема № 6. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН

2.

Групповое занятие №28:
Вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

3.

4.

Группы электроизмерительных приборов:
электромеханические;
электротепловые;
электронные;
электронно-лучевые

5.

В электромеханических приборах для перемещения подвижной
части прибора используются различные электромагнитные процессы.
В зависимости от физического явления, используемого для
преобразования подводимой электромагнитной энергии в
механическую энергию перемещения подвижной части, приборы
подразделяются на:
магнитоэлектрические,
электромагнитные,
электродинамические,
индукционные,
электростатические.
В электротепловых приборах для перемещения подвижной части
прибора используется тепловое действие электрического тока.
Электронные приборы представляют собой сочетание
электронного преобразователя и измерителя (аналогового или
цифрового).
Электронно-лучевые приборы используют подводимую энергию
электромагнитного поля для перемещения электронного луча в
электронной трубке. Это перемещение пропорционально значению
измеряемой величины.

6.

Общий вид структурной схемы аналогового
электроизмерительного прибора непосредственной оценки:
x(t)
Входное
устройство
Измерительный Y(t) Измерительный
преобразователь
механизм
α
Отсчетное
устройство
Входное
устройство и измерительный преобразователь
преобразуют измеряемую величину x(t) в некоторую промежуточную
величину Y(t), находящуюся в определенной функциональной
зависимости от измеряемой величины x(t) и непосредственно
воздействующую на измерительный механизм.
По принципу действия и конструктивным особенностям
измерительные преобразователи, применяемые в измерительной цепи,
можно
разделить
на
выпрямительные,
термоэлектрические,
электронные.
Измерительный механизм преобразует подводимую электрическую
энергию, определяющую величину Y(t), в механическую энергию
перемещения подвижной части механизма. При этом между
перемещением подвижной части механизма и измеряемой величиной
должна существовать однозначная зависимость.

7.

8.

В зависимости от принципа действия различают
основные системы измерительных механизмов, лежащих в
основе многих электромеханических измерительных
приборов:
- магнитоэлектрические;
- электромагнитные;
- электродинамические;
- индукционные;
- электростатические.
Электромеханический
измерительный
механизм
(ЭИМ) прибора прямого действия состоит из:
- неподвижной, соединенной с корпусом прибора, и
- подвижной частей.
Неподвижная часть в зависимости от системы ЭИМ
состоит из постоянного магнита, катушек или
ферромагнитных элементов.
Подвижная часть (рамки, катушки, сердечники)
механически или оптически связана с отсчетным
устройством.

9.

Для установки подвижной части используются керны,
цапфы, растяжки и подвесы. Чаще всего подвижные
части ЭИМ выполняются на кернах или цапфах (см. рис.).
Схема крепления подвижной части ЭИМ:
а – с внутренними кернами; б – на цапфах;
в – с наружными кернами;
1 - опора подвижной части; 2 – керн; 3 – пятка;
4 – подшипник

10.

Вследствие возникновения сил трения в опорах на
кернах и цапфах чувствительность ЭИМ снижается.
Для уменьшения трения в опорах вместо кернов
применяются растяжки (см. рис.).
Схема крепления подвижной части ЭИМ:
а – на растяжках; б – на подвесе

11.

Отсчетное
устройство
ЭИМ
–
часть
конструкции СИ, предназначенная для отсчитывания
измеряемой величины. Оно состоит из шкалы и
стрелочного или светового указателя. Шкала – часть
отсчетного устройства, представляющая собой
совокупность отметок и проставленных у некоторых
из них чисел или других символов (см. рис.).
Шкала СИ (вариант)
Границы
диапазона
измерения

12.

В соответствии с ГОСТ 23217-78 на шкалу и вспомогательные части наносятся следующие обозначения:
- единица измеряемой величины (μА – микроампер,
mА – миллиампер, V – вольт, Ω – ом);
- класс точности прибора (ЭИМ, по погрешностям
измерений делятся на классы точности:
0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0);
- условное обозначение системы прибора;
- условное обозначение рода тока и числа фаз;
- условное обозначение рабочего положения прибора;
- условное обозначение испытательного напряжения
изоляции;
- тип прибора и другие.

13.

Условные обозначения, наносимые на шкалу и
вспомогательные части ЭИМ

14.

Условные обозначения, наносимые на шкалу и
вспомогательные части ЭИМ

15.

Кроме рассмотренных основных частей ЭИМ могут
иметь корректоры, предназначенные для установки
стрелки отсчетного устройства на нуль. Для защиты
кернов и растяжек от механических повреждений при
транспортировании
в
чувствительных
ЭИМ
используются
арретиры,
которые
фиксируют
подвижную часть в определенном положении.
Вращающий момент для любой конструкции ЭИМ
может быть определен из общего уравнения динамики
системы, согласно которому момент, действующий в
системе, определяется через изменение энергии W:
M В W
(1)
Противодействующий момент, возникающий при
закручивании
пружины
(растяжки,
подвеса),
пропорционален углу поворота α:
M п K п
(2)

16.

При равенстве вращающего и противодействующего
моментов МВ = МП наступает равновесие подвижной
части. Тогда с учетом формул (1) и (2) можно определить
1 W
угол поворота подвижной части:
K п
.
(3)
Если противодействующий момент создается за
счет электрических сил (подобно вращающему), то
движение подвижной части прекращается при равенстве
двух
моментов
противоположного
направления.
Обозначив соответственно M1 и М2 вращающий и
противодействующий моменты, формулы (1) и (2) можно
записать в следующем виде:
M 1 K1 f1 ( ) x1 и M 2 K2 f 2 ( ) x2 ,
где х1 и х2 – электрические измеряемые величины.
При равенстве моментов M1 = M2 :
f1 ( ) / f 2 ( ) K 2 x2 / K1 x1 .

17.

Обозначив: f1( ) / f 2 ( ) F( ) и K2 / K1 K
x2
F K
можно записать:
x1
Решив уравнение относительно , можно получить
выражение для угла поворота:
. x2
F1 K
x1
(4)
Из выражения (4) следует, что угол поворота
подвижной части зависит от отношения двух
электрических
величин.
Приборы,
измеряющие
отношение двух величин, называются логометрами. В
логометрах в обесточенном состоянии подвижная
часть может находиться в любом положении, т. е.
стрелка прибора не устанавливается на нулевую
отметку шкалы (что не является признаком
неисправности).

18.

Уменьшение времени установления показаний
достигается
с
помощью
воздушных,
магнитоиндукционных (см. рис.) или жидкостных
успокоителей.
Успокоители
создают
момент
успокоения, который пропорционален угловой скорости
движения подвижной части:
d
(5)
M y Ky
,
dt
где Ку – коэффициент успокоения, зависящий от
конструкции успокоителя.
Структура
успокоителей:
а – воздушного;
б – магнитоиндукционного

19.

20.

Структура магнитоэлектрического механизма (а)
и принцип его действия (б)
а
I
1 – неподвижный магнит
2 – подвижная катушка (рамка)
3 – неподвижный
ферромагнитный цилиндр
б
4 – Спиральные пружины
5 – Грузики
6 – Эксцентрический винт
(корректор)

21.

Энергия
магнитоэлектрической
системы,
сосредоточенная в механизме и вызывающая вращающий
момент, равна:
WU WМ WK I ,
где Wм
– энергия поля магнита (не зависит от );
WK = LI2/2 – энергия катушки с током (не зависит от ),
L
– индуктивность катушки;
I
– энергия взаимодействия поля магнита
и катушки с током;
B0 S
– потокосцепление:
В0
– магнитная индукция в зазоре.
Для вращающего момента (1):
M В W
/ .
Тогда вращающий момент будет определяться по
формуле:
I
MB
B0 S I

22.

Так как противодействующий момент создается
спиральными пружинами, то с учетом формулы (2) для
установившегося режима можно записать уравнение:
B0 S I K п
откуда:
B0 S
I SI I,
Kп
где SI = B0Sω/Kп – чувствительность измерительного
механизма к току.
Из уравнения следует:
угол
отклонения
подвижной
части
(стрелки)
магнитоэлектрического механизма прямо пропорционален току;
- чувствительность механизма постоянна, следовательно,
шкала равномерная;
- магнитоэлектрический механизм реагирует на постоянный
ток, а при включении в цепь переменного тока вследствие
инерционности подвижной части стрелка будет совершать
колебательные движения только на низких частотах.

23.

Структура магнитоэлектрического логометра (а) и
схема его включения для измерения сопротивлений (б)
а
б
Магнитоэлектрические логометры имеют подвижную часть,
состоящую из двух катушек 2 и 3, укрепленных на общей оси. Токи к
катушкам подводятся через мягкие серебряные или золотые ленточки,
которые не создают противодействующего момента. Отличительной
особенностью магнитной системы является нецилиндрическая
расточка полюсных наконечников 1 и сердечника 4, за счет чего
магнитная индукция в зазоре зависит от угла поворота α.

24.

Для лагометра вращающий и противодействующий
моменты равны:
M B B1 ( )S1 1I1
M п B2 ( ) S 2 2 I 2
Направление токов в катушках выбирается так,
чтобы моменты имели встречное направление.
В момент равновесия МВ = Мп , т. е.:
B1 ( ) S 2 2 I 2
.
B1 ( )S1 1I1 B2 ( )S2 2 I 2 откуда:
B2 ( ) S1 1 I1
B1 ( )
S 2 2
F ( ) и
K
Обозначив:
B2 ( )
S1 1
получим:
F ( ) K I 2 / I1.
F1 ( I 2 / I1 ).
Тогда угол отклонения стрелки
R2 R3 Rx
логометра определяется по формуле: F2
,
R1 R4
где R1 , R2 – сопротивления катушек 1 и 2.

25.

Достоинствами вольтметров МЭ систем:
- высокая чувствительность;
- малое собственное потребление энергии, т.е. мощности
(достаточно большое входное сопротивление);
- линейная и стабильная статическая характеристика
преобразования (равномерная шкала);
- малое влияние внешних магнитных полей из-за
достаточно-сильного поля в воздушном зазоре;
- небольшие погрешности измерений .
Недостатками вольтметров МЭ систем:
- недопустимы даже кратковременные перегрузки
(деформируются и перегорают токоподводящие пружины,
нити растяжек или подвесов);
- зависимость точности от температуры (изменяется
удельный противодействующий момент, сопротивление
катушек);
- механизм реагирует только на постоянный ток;
- сравнительная сложность (особенно ремонта).

26.

27.

Структура электромагнитного механизма
с плоской катушкой (а) и логометра (б)
а
I
2
б

28.

Энергия системы:
1 2
W LI
2
При перемещении сердечника индуктивность катушки
изменяется, и формулу для вращающего момента на
основании (1) можно записать в следующем виде:
1 2 L
MВ I
2
1 2 L
1 2 L
При МВ = Мп:
I
.
I
K П , откуда:
2 К п
2
dW
МВ
d
Выводы:
- шкала электромагнитного механизма неравномерная, но
подбором формы сердечника и места его расположения в
катушке можно улучшить линейность шкалы;
- отклонение подвижной части не зависит от направления
тока в обмотке и механизм пригоден для измерений в цепях
постоянного и переменного токов.

29.

30.

Структура электродинамического механизма (а),
его астатическая схема (б) и условное обозначение (в)
I
2

31.

Электромагнитная
энергия системы:
1
1
2
W L1 I1 L2 I 22 I1 I 2 M 1, 2 ,
2
2
Для вращающего момента (1): M В W / .
Индуктивность катушек и токи в них не зависят от
угла поворота, поэтому вращающий момент МB равен:
M1,2
M B I1 I 2
.
C учетом того, что противодействующий момент
создается спиральными пружинами, в установившемся
режиме:
M 1,2
1
M1,2
I1 I 2
.
I1 I 2
K п , откуда:
Kп
M 1,2
1
I1 I 2
cos
Для переменного синусоидального тока:
Kп

32.

Выводы:
- отклонение угла стрелки измерительного механизма
зависит от произведения токов и от закона изменения
взаимной индуктивности между неподвижными и
подвижными катушками, т. е. от формы катушек и их
взаимного расположения;
- меняя зависимость M 1, 2 можно обеспечить
равномерность шкалы;
- при одновременном изменении направления (знака)
токов I1 и I2 направление отклонения стрелки механизма
не изменяется и , поэтому электродинамические
механизмы пригодны для измерений в цепях постоянного
и переменного тока.
На частотах свыше 500 Гц реактивное сопротивление Xk
проявляется довольно заметно и поэтому градуировка
шкалы нарушается.

33.

Достоинствами вольтметров ЭМ и ЭД систем
являются
- возможность их непосредственного
применения в цепях переменного тока,
- простота конструкции,
- сравнительно низкая стоимость, надежность
в эксплуатации и устойчивость к перегрузкам.
Недостатками вольтметров ЭМ и ЭД систем
являются
- их низкая чувствительность,
- большое потребление мощности от
измерительной цепи,
- неравномерность шкалы .

34.

35.

Устройство (а) и конструкция (б)
электростатического измерительного механизма,
применяемого для измерений низких напряжений (до 1кВ)
4
3
2
1
5
а
U
2
б
1 – неподвижные пластины; 2 - подвижные пластины;
3 – зеркальце светового указателя; 4 - растяжки
Под действием разности потенциалов подвижные пластины 2
стремятся втянуться между неподвижными 1. Для увеличения
чувствительности при этом применяется световой указатель,
зеркальце 3 которого непосредственно крепится на подвижной
части.

36.

Устройство электростатического измерительного механизма,
применяемого для измерений высоких напряжений (до сотен кВ):
1 – магнитоиндукционный
успокоитель,
2 – ось,
3 – тяга,
4, 6 – неподвижные
пластины,
5 – металлическая
лента,
7 – алюминиевая
лёгкая пластина
Разность потенциалов изменяет расстояние между пластинами

37.

Сu 2
Энергия электростатического поля системы: W
,
2
Мгновенное
значение
переменного тока:
вращающего
момента
1 С 2
1 C 2
MB
U m sin t
U m 1 cos 2 t .
2
4
Для постоянного тока:
1 C 2
MB
U .
2
Угол поворота подвижной части :
1 C 2
U .
2 К п
для

38.

Внутренний
экран
1
Э
2
Cv
Схема подключения
низковольтного
электростатического
вольтметра с целью
исключения пробоя
между пластинами.
Выпускаются несколько типов
электростатических вольтметров с
верхними пределами измерений от 30
В до 75 кВ классов точности 0,5; 1,0;
1,5 для работы в частотном
диапазоне до 30 МГц.
Выводы:
- зависимость угла поворота подвижной части от
напряжения нелинейная;
- поворот подвижной части одинаков при постоянном и
при переменном напряжении, имеющем действующее
значение, равное значению постоянного напряжения;
- показание прибора не зависит от формы кривой
измеряемого напряжения.

39.

Достоинства ЭС систем:
- высокое входное, сопротивление;
- малая, но переменная входная емкость;
- ничтожно малое потребление энергии
Недостатки ЭС систем:
- квадратичная шкала,
- малая чувствительность;
- невысокая точность;
- возможность пробоя между электродами;
- необходимость экрана