Вибрационная система электроизмерительного прибора

Приборы вибрационной системы

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Приборы вибрационной системы предназначаются для измерения частоты переменного тока.

Действие вибрационных приборов основано на использовании явлений электромагнетизма и механического резонанса.

Каждая механическая система, способная совершать колебательные движения, обладает определенной частотой собственных колебаний, которая обусловливается массой в упругостью системы. При резонансе, т. е. при совпадении частот собственных колебаний системы и колебаний внешнего источника, амплитуда колебаний данной механической системы резко увеличивается. Это свойство используется в измерительных приборах вибрационной системы.

Вибрационный частотомер состоит из электромагнита, стального якоря, укрепленного на бруске, и нескольких вибраторов с различной длиной или массой. Концы вибраторов отогнуты под прямым углом, окрашены белой краской и размещены в горизонтальной щели на шкале частотомера. Брусок крепится к пластинчатым прижимам, что обеспечивает некоторую подвижность механической системы.

Если по обмотке электромагнита пропустить переменный ток, то якорь будет сильнее притягиваться к полюсам в те моменты, когда ток имеет наибольшее значение, т. е. два раза за период. Колебания якоря передаются вибраторам. С наибольшей амплитудой будет колебаться вибратор, собственная частота колебаний которого совпадает с частотой колебаний якоря. Цифра на шкале, стоящая против вибратора, колеблющегося с наибольшей амплитудой, укажет частоту тока в сети.

Большинство частотомеров вибрационной системы предназначены для измерения частот 45-55 Гц. Однако встречаются частотомеры, рассчитанные для измерения более высоких частот (до 1550-1650 Гц).

Достоинство приборов вибрационной системы — независимость показаний от напряжения сети.

Недостатки — зависимость показаний от механических вибраций, невозможность измерения высоких частот и прерывность шкалы, вследствие чего затрудняются измерения на промежуточных частотах, когда одновременно колеблется несколько вибраторов.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Воропаев Е.Г.
Электротехника

3.1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Oпределение: Измерение — это процесс определения физической величины с помощью технических средств.
Мера — это средство измерения физической величины заданного размера.
Измерительный прибор — это средство измерения, в котором вырабатывается сигнал, доступный для восприятия наблюдателем.
Меры и приборы подразделяются на образцовые и рабочие.
Образцовые меры и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений.
Рабочие меры и приборы служат для практических измерений.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

З.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:
методу измерения;
роду измеряемой величины;
роду тока;
степени точности;
принципу действия
.
Существует два метода измерения: 1) метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величина;
2) метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.
По роду измеряемой величины различают электроизмерительные приборы: для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры); для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры); для измерения энергии (электрические счетчики); для измерения угла сдвига фаз (фазометры); для измерения частоты тока (частотомеры); для измерения сопротивлений (омметры), и т.д.
В зависимости от рода измеряемого тока различают приборы постоянного, переменного однофазного и переменного трехфазного тока.
По степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора, которая определяется по формуле:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где А — показания поверяемого прибора; А — показания образцового прибора; Amax — максимальное значение измеряемой величины (предел измерения).
В зависимости от принципа действия различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы приборов: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электродинамическая, индукционная.

3.3. МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Приборы этой системы (рис. 3.3.1) содержат постоянный магнит — 1, к которому крепятся полюса — 2. В межполюсном пространстве расположен стальной цилиндр — 3 с наклеенной на него рамкой — 4. Ток в рамку подается через две спиральные пружины -5. Принцип действия прибора основан на взаимодействии тока в рамке с магнитным полем полюсов.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Это взаимодействие вызывает вращающий момент , под действием которого рамка и вместе с ней цилиндр повернутся на угол .
Спиральная пружина, в свою очередь, вызывает противодействующий момент .
Так как вращающий момент пропорционален току,

Вибрационная система электроизмерительного прибора

, а противодействующий момент пропорционален углу закручивания пружин

Вибрационная система электроизмерительного прибора

, то можно написать:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где k и D — коэффициенты пропорциональности. Из написанного следует, что угол поворота рамки

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где

Вибрационная система электроизмерительного прибора

— чувствительность прибора к току, определяемая числом делений шкалы, соответствующая единице тока; CI — постоянная по току, известная для каждого прибора.
Следовательно, измеряемый ток можно определить произведением угла поворота (отсчитывается по шкале) и постоянной по току CI.
К достоинствам этой системы относят высокую точность и чувствительность, малое потребление энергии.
Из недостатков следует отметить сложность конструкции, чувствительность к перегрузкам, возможность измерять только постоянный ток (без дополнительных средств).

3.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА

Приборы этой системы (рис. 3.4.1) имеют неподвижную катушку — 1 и подвижную часть в виде стального сердечника — 2, связанного с индикаторной стрелкой — 3 противодействующей пружины — 4.
Измеряемый ток, проходя по катушке, намагничивает сердечник и втягивает его в катушку.
При равенстве вращающего и тормозящего моментов система успокоится. По углу поворота подвижной части определяют измеряемый ток.
Среднее значение вращающего момента пропорционально квадрату измеряемого тока:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Так как тормозящий момент, создаваемый спиральными пружинами, пропорцио-нален углу поворота подвижной части , уравнение шкалы прибора запишем в виде:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Другими словами, угол отклонения подвижной части прибора пропорционален квадрату действующего значения переменного тока.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

К главным достоинствам электромагнитной силы относятся: простота конструкции, надежность в работе, стойкость к перегрузкам.
Из недостатков отмечаются: низкая чувствительность, большое потребление энергии, небольшая точность измерения, неравномерная шкала.

3.5. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Эта система представляет собой две катушки (рис. 3.5.1), одна из которых неподвижная, а другая — подвижная. Обе катушки подключаются к сети, и взаимодействие их магнитных полей приводит к повороту подвижной катушки относительно неподвижной.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Из уравнения

Вибрационная система электроизмерительного прибора

видно, что шкала электродинамической системы имеет квадратичный характер. Для устранения этого недостатка подбирают геометрические размеры катушек таким образом, чтобы подучить шкалу, близкую к равномерной.
Эти системы чаще всего используются для измерения мощности, т.е. в качестве ваттметров, тогда:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

В этом случае шкала ваттметра равномерная.
Основным достоинством прибора является высокая точность измерения.
К недостаткам относятся малая перегрузочная способность, низкая чувствительность к малым сигналам, заметное влияние внешних магнитных полей.

3.6. ИНДУКЦИОННАЯ СИСТЕМА

Приборы индукционной системы получили широкое распространение для измерения электрической энергии. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 3.6.1. Электрический счетчик содержит магнитопровод — 1 сложной конфигурации, на котором размещены две катушки; напряжения — 2 и тока — 3. Между полюсами электромагнита помещен алюминиевый диск — 4 с осью вращения — 5. Принцип действия индукционной системы основан на взаимодействии магнитных потоков, создаваемых катушками тока и напряжения с вихревыми токами, наводимыми магнитным полем в алюминиевом диске.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Вращающий момент, действующий на диск, определяется выражением:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где ФU — часть магнитного потока, созданного обмоткой напряжения и проходящего через диск счетчика; ФI — магнитный поток, созданный обмоткой тока; — угол сдвига между ФU и ФI. Магнитный поток ФU пропорционален напряжению

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Магнитный поток ФI пропорционален току:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Для того чтобы счетчик реагировал на активную энергию, необходимо выполнить условие:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Вибрационная система электроизмерительного прибора

т.е. вращающий момент пропорционален активной мощности нагрузки.
Противодействующий момент создается тормозным магнитом — 6 и пропорционален скорости вращения диска:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

В установившемся режиме

Вибрационная система электроизмерительного прибора

и диск вращается с постоянной скоростью. Приравнивая два последних уравнения и решив полученное уравнение относительно угла поворота диска

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Таким образом, угол поворота диска счетчика пропорционален активной энергии. Следовательно, число оборотов диска n тоже пропорционально активной энергии.

3.7. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

Измерение тока производится прибором, называемым амперметром.
Существуют четыре схемы включения амперметра в цепь. Первые две (рис. 3.7.1) предназначены для измерения постоянного тока, а две вторые схемы — для измерения переменного тока.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Вторая и четвертая схемы применяются в тех случаях, когда номинальные данные амперметра меньше измеряемой величины тока. В этом случае при определении истинного значения тока нужно учитывать коэффициент преобразования:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где Iист — истинное значение тока,
Iизм — измеренное значение тока,
kпр — коэффициент преобразования.
Измерение напряжения производится вольтметром. Здесь также возможны четыре различных схемы подключения прибора (рис. 3.7.2).

Вибрационная система электроизмерительного прибора

В этих схемах также используются методы расширения пределов измерения напряжения (вторая и четвертая схемы).

3.8. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

Для измерения мощности постоянного тока достаточно измерить напряжение и ток. Результат определяется по формуле:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Метод амперметра и вольтметра пригоден и для измерения полной мощности, а также активной мощности переменного тока, если cos j = 1.
Чаще всего измерение мощности осуществляется одним прибором — ваттметром.
Как было сказано ранее, для измерения мощности лучшей является электродинамическая система.
Ваттметр снабжен двумя измерительными элементами в виде двух катушек: последовательной и параллельной. По первой катушке течет ток, пропорциональный нагрузке, а по второй — пропорциональный напряжению в сети.
Угол поворота подвижной части электродинамического ваттметра пропорционален произведению тока и напряжения в измерительных катушках:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

На рис. 3.8.1 показана схема включения ваттметра в однофазную сеть.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

В трехфазных сетях для измерения мощности используют один, два и три ваттметра.
Если нагрузка симметричная и включена «звездой», то достаточно одного ваттметра (рис. 3.8.2, а). Если в этой же схеме нагрузка несимметрична по фазам, то используются три ваттметра (рис. 3.8.2, б). В схеме соединения потребителей «треугольником» измерение мощности производится двумя ваттметрами (рис. 3.8.2, в).

Вибрационная система электроизмерительного прибора

3.9. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ

Электрическое сопротивление в цепях постоянного тока может быть определено косвенным методом при помощи вольтметра и амперметра. В этом случае:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Можно использовать омметр — прибор непосредственного отсчета. Существуют две схемы омметра: а) последовательная; б) параллельная (рис. 3.9.1).

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Уравнение шкалы последовательной схемы намерения:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

где г — сопротивление цепи гальванометра. При

Вибрационная система электроизмерительного прибора

угол поворота подвижной части прибора определяется величиной измеряемого сопротивления Rx. Поэтому шкала прибора может быть непосредственно проградуирована в Омах. Ключ K используется для установки стрелки прибора в нулевое положение. Омметры параллельного типа удобнее применять для измерения небольших сопротивлений
Измерение сопротивлений можно также осуществлять логометрами. На рис. 3.9.2 приведена принципиальная схема логометра.

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Отклонение подвижной части логометра:

Вибрационная система электроизмерительного прибора

Таким образом, показание прибора не зависит от напряжения источника питания и определяется величиной измеряемого сопротивления Rx.

Источник