Лекция 10. Электромагнитные и электродинамические приборы

1.

КАФЕДРА МЕТРОЛОГИИ И СИСТЕМ КАЧЕСТВА
Лекция 10
Электромагнитные и
электродинамические приборы

2. Электромагнитные приборы

Электромагнитными называются такие
измерительные приборы, в которых вращающий
момент создается действием магнитного поля
одной или двух катушек с током на один или два
ферромагнитных сердечника

3. Электромагнитные приборы

1 - катушка с током
2 – подвижный пермаллоевый лепесток
3 – спиральная пружина
4 – ось прибора

4. Электромагнитные приборы

• При прохождении по неподвижной катушке измеряемого
тока I возникает магнитное поле, которое, воздействуя на
сердечник, стремится расположить его так, чтобы энергия
магнитного поля была наибольшей, т.е. втянуть лепесток
внутрь катушки.
Подвижная часть измерительного механизма
поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не
станет равным противодействующему моменту.

5. Электромагнитные приборы

Энергия магнитного поля катушки с током
LI 2
A
,
2
где L – индуктивность катушки.
Вращающий момент
dA
1 dL 2
M вр
I
d 2 d
Противодействующий момент
М пр W

6. Электромагнитные приборы

Уравнение шкалы электромагнитного прибора
(функция преобразования)
1 dL 2
I
2W d
Выражение показывает, что шкала прибора должна
быть квадратична, т. е. в начале сжата, а в конце
расширена. Поскольку α является функцией I2 , знак
угла поворота не зависит от направления тока в
катушке, поэтому электромагнитные приборы
одинаково пригодны для измерения в цепях
постоянного и переменного тока.

7. Электромагнитные приборы

Если по катушке пропустить переменный ток i, то
мгновенное значение вращающего момента
1 dL 2
m(t )
i (t )
2 d
Прибор реагирует на среднее значение вращающего
момента
T
.
T
1
1 dL 1 2
1 dL 2
M вр m(t )dt
i (t )dt
I
T0
2 d T 0
2 d

8. Электромагнитные приборы

При синусоидальной форме измеряемого тока
,
T
1 dL 1 2 2
1 dL 2
M вр
I m sin tdt
I
2 d T 0
2 d
где I – среднеквадратическое значение тока;
Т – период изменения переменного тока.
Отклонение α подвижной части ИМ пропорционально
среднеквадратическому значению измеряемого тока.
Градуировку этих приборов осуществляют на
постоянном токе.

9. Электромагнитные приборы

Конструкция электромагнитного прибора
выполняется таким образом, что множитель dL
d
уменьшается с увеличением угла поворота за счет
особой формы сердечника и взаимного
расположения сердечника и катушки. В результате
шкала практически линейна, за исключением
небольшого начального участка.

10.

11.

12. Электромагнитные приборы

Электромагнитные приборы применяют в
качестве измерителей тока и напряжения
преимущественно в цепях переменного тока
промышленной частоты в виде щитовых
приборов класса 1,0 и 1,5 и многопредельных
лабораторных приборов класса 0,2; 0,5.

13. Электромагнитные приборы

• Диапазон измерения токов весьма широк. В
многопредельных приборах используют
секционированные катушки. Переключение
одинаковых секций катушки с последовательного
соединения на параллельное позволяет получать
пределы измерений у амперметров с отношением
1:2:4.
• Применение шунтов нерационально, так как это
приводит к увеличению мощности потребления
приборами, громоздкости и дороговизне.
• Пределы измерений амперметров расширяют также
с помощью измерительных трансформаторов тока.

14.

Электромагнитные
амперметры и вольтметры
I1 > I2 >I3

15. Электромагнитные приборы

• Измерительная цепь электромагнитного вольтметра
представляет собой последовательное соединение
неподвижной катушки и добавочного резистора. Ток
полного отклонения Iv вольтметра равен от 25 до
50 мА.
С понижением предела измерений это значение
возрастает и достигает от 100 до 300 мА при
напряжении от 15 до 30 В. Добавочные резисторы
применяют в вольтметрах с наибольшим пределом
измерений 600 В. Пределы измерений могут быть
расширены с помощью измерительных
трансформаторов напряжений.

16. Электромагнитные приборы

• Чувствительность электромагнитных приборов во
много раз меньше чувствительности
магнитоэлектрических приборов. При полном
отклонении подвижной части потребление
магнитоэлектрического ИМ составляет несколько
мВт, а у электромагнитного – до 2 Вт. Падение
напряжения на обмотке первого составляет от 50 до
100 мВ, а второго – 500 мВ

17. Электромагнитные приборы

Погрешность от гистерезиса.
Показания электромагнитных приборов на
постоянном токе оказываются неодинаковыми
при возрастании и убывании тока из-за
магнитного гистерезиса ферромагнитного
сердечника. С целью уменьшения этой
погрешности сердечник делают из
магнитомягкого материала - пермаллоя.

18. Электромагнитные приборы

Частотная погрешность.
При измерении переменных токов и напряжений возникают
погрешности, обусловленные вихревыми токами,
индуцированными во всех металлических частях прибора
переменным магнитным полем катушки. Эти токи ослабляют
основное поле катушки и уменьшают вращающий момент.

19. Электромагнитные приборы

С повышением частоты возрастает индуктивное
сопротивление катушки, уменьшается ток в катушке и
показание прибора. У вольтметров эта погрешность
сказывается больше, чем у амперметров. Погрешность
зависит от отношения индуктивного сопротивления
катушки к безреактивному сопротивлению добавочного
резистора. В вольтметрах с пределом измерений 150 В эта
погрешность не превышает 1 % при изменении частоты от
50 до 100 Гц, но при дальнейшем увеличении частоты резко
возрастает. Амперметры используют на частотах от 15 Гц
до 6 кГц, а вольтметры - до 500 Гц

20. Электромагнитные приборы

Температурная погрешность.
Температура оказывает влияние на упругие
свойства пружины и сопротивление катушки,
выполняемой из медного провода. Эта
погрешность больше у вольтметров и достигает
(0,5-1,0) % на каждые 10˚С.

21. Электромагнитные приборы

Погрешность из-за влияния внешних магнитных
полей.
Влияние внешних магнитных полей может быть
значительно, так как собственное поле слабое.
Кожух и стальной цоколь уменьшают это
влияние, но внешнее поле с напряженностью
400 А/м вызывает погрешность порядка (1-2) %.

22. Электромагнитные приборы

• Почти полная компенсация этого явления
достигается в астатических приборах, имеющих
два совершенно идентичных ИМ, сердечники
которых закреплены на одной оси. Катушки
наматываются таким образом, что поля их
направлены встречно. Внешнее поле усиливает
поле одной катушки и уменьшает поле второй

23. Электромагнитные приборы

Ф1
Ф2
• Катушки включены между собой
последовательно, а направление
обмоток и токов выбрано таким, что
их магнитные потоки Ф1 и Ф2 равны
Фвн
по величине, но противоположны по
направлению. При воздействии
внешнего магнитного поля Фвн
магнитный поток Ф1 будет
ослабляться, а магнитный поток Ф2
второй катушки возрастать.
Суммарный момент, действующий на
ось ИМ при измерении определенного
тока, остается неизменным.

24.

25. Электромагнитные приборы

Достоинства :
- простота;
- надежность;
- большая перегрузочная
способность;
- независимость показаний от
формы кривой измеряемой
величины.
Недостатки:
- значительно меньшая
чувствительность, чем у
магнитоэлектрических
приборов;
- большое собственное
потребление (ватты);
- погрешности от гистерезиса,
температуры и частоты;
- показания подвержены
влиянию внешних
магнитных полей.
Электромагнитные приборы – самые распространенные приборы

26. Электродинамические приборы

I1
Электромагнитная энергия,
сосредоточенная в
измерительном механизме:
В1
1
1
2
A L1 I1 L2 I 22 MI 1 I 2
2
2
В2
I2
где L1 и L2 – индуктивности
катушек;
М – взаимная индуктивность
подвижной и неподвижной
катушек.

27. Электродинамические приборы

• В электродинамических приборах для перемещения
подвижной части используется энергия магнитного поля
катушек с токами. В большинстве случаев приборы
содержат одну подвижную и одну неподвижную катушки,
причем первая помещена во второй. Различают две
разновидности электродинамических приборов: приборы
без стали – электродинамические
и приборы со сталью – ферродинамические.

28. Электродинамические приборы

Вращающий момент:
M вр
dA dM
I1I 2
d d
Под действием вращающего момента подвижная катушка
стремится занять такое положение, при котором
направление ее магнитного поля совпадало бы с
направлением магнитного поля неподвижных катушек, при
этом она будет поворачиваться до тех пор, пока вращающий
и противодействующий моменты не сравняются, т.е.
Мвр = Мпр.

29. Электродинамические приборы

В электродинамических амперметрах и вольтметрах
катушки включаются последовательно
Электродинамические приборы
I
Rн
U
U
Rн
а)
Rд
б)

30. Электродинамические приборы

Приравнивая Мвр и Мпр, получаем
уравнения шкалы электродинамического
прибора.
1 dM 2
I
Для амперметров:
W d
Для вольтметров:
1 dM
U2
W d ( R Rд ) 2 ( L) 2
где R – сопротивление катушек;
Rд – добавочное сопротивление;
L – индуктивность катушек.

31. Электродинамические приборы

• Из уравнения шкалы видно, что зависимость
между α и измеряемыми величинами носит
квадратичный характер. Это дает возможность
применять электродинамические приборы как на
постоянном, так и на переменном токе.
Градуировку их осуществляют на постоянном
токе. Шкала приборов линеаризуется за счет того,
что множитель dМ делается переменным по
длине шкалы. d

32.

33.

Электродинамические амперметры и
вольтметры

34. Электродинамические приборы

• Электродинамические амперметры используют
для измерения токов
от 0,1 до 10 А.
Изменение пределов достигается
секционированием неподвижных катушек, а
также комбинацией последовательнопараллельного соединения секций неподвижных
катушек с подвижной катушкой.

35. Электродинамические приборы

• В вольтметрах внутреннее сопротивление мало
(примерно 1 кОм на пределе 30 В), мощность
потребления достигает 10 Вт. Диапазон
измерений вольтметров от 15 до 600 В.

36. Электродинамические приборы

• Для уменьшения влияния внешних магнитных
полей на показания приборов применяют
магнитное экранирование измерительного
механизма или астазирование.

37.

38. Электродинамические приборы

Достоинства :
• высокая точность (класс
точности 0,05);
• возможность
использования как в цепях
постоянного, так и
переменного тока.
Недостатки:
малая
чувствительность;
показания зависят от
влияния внешних
магнитных полей;
большая мощность
потребления;
ограниченный
частотный диапазон (до
1,5 кГц).