Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Измерение тока и напряжения

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Показания амперметра зависят от тока I А, идущего через него, поэтому для измерения тока в каком-либо приемнике энергии I пр амперметр включают последовательно с этим приемником, так что I А = I пр
(рис. 8-8)
.
Включение амперметра не должно влиять на измеряемый ток, поэтому сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника, последовательно с которым он включается. Малому сопротивлению амперметра r А соответствует и малая номинальная мощность потерь в нем

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Для измерения токов, превышающих номинальный ток амперметра (измерителя), в цепях постоянного тока применяют шунты , а при переменном токе — трансформаторы тока .

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Для измерения напряжения на каком-либо приемнике энергии U пр зажимы вольтметра соединяют с зажимами приемника (рис. 8-9). В этом случае вольтметр покажет напряжение на своих зажимах и на зажимах приемника U V = U пр .
Показания вольтметра зависят от его тока I V . Для того чтобы они однозначно зависели и от напряжения U V , сопротивление вольтметра должно быть постоянным, так как в этом случае

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Сопротивление медной обмотки измерителя вольтметра r И изменяется на 0,4% при изменении температуры на 10° С.. Включая последовательно с измерителем достаточно большое добавочное сопротивление r Д из манганина, величина которого практически неизменна, обеспечивают постоянство сопротивления вольтметра

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Включение вольтметра не должно влиять на измеряемое напряжение, поэтому сопротивление его должно быть большим относительно приемника энергии, параллельно которому он включен. При большом сопротивлении вольтметра r V номинальный ток его мал, мала и номинальная мощность потерь, так как

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Номинальный ток вольтметра равен номинальному току его измерителя, так что

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

а номинальное напряжение вольтметра

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

пропорционально его сопротивлению.
Применяя один измеритель с различными добавочными сопротивлениями, получим различные сопротивления вольтметра и соответственно различные номинальные напряжения. Таким образом, добавочное сопротивление используют для расширения предела измерения напряжения вольтметра.
Для расширения предела измерения напряжения в цепях переменного тока, кроме добавочного сопротивления, применяют измерительные трансформаторы напряжения .
Амперметры и вольтметры могут иметь измерители одинакового устройства, отличающиеся только своими параметрами, но они имеют разные внутренние измерительные схемы и по-разному включаются в измеряемую цепь.

а) Магнитоэлектрические амперметры и вольтметры
Магнитоэлектрические приборы для измерения малых токов — гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры представляют собой измерительный механизм , катушка которого присоединена к зажимам прибора, а на шкале нанесены деления, соответствующие различным значениям измеряемой величины.
Магнитоэлектрический амперметр — это измеритель , который присоединен параллельно шунту (рис. 8-10) для увеличения номинального тока прибора.

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Измеряемый ток I делится на ток шунта I Ш и ток измерителя I И. Напряжение U а6 на разветвлении (рис. 8-10)

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

При неизменных сопротивлениях измерителя и шунта ( r И , r Ш) между токами I и I И сохраняется постоянное отношение, что позволяет по углу поворота указательной стрелки измерителя определить ток I .
Сечение шунта должно быть достаточно большим, чтобы не было его нагревания и связанных с этим погрешностей .
Шунты помещаются или в кожухе прибора (встроенные) или вне его (наружные).
Магнитоэлектрический вольтметр — это измеритель с последовательно соединенным добавочным сопротивлением (рис. 8-11) для расширения предела измерения напряжения и для обеспечения постоянства сопротивления вольтметра. На шкале его наносятся деления, соответствующие различным значениям напряжения

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Между напряжением на зажимах вольтметра U V и напряжением на измерителе U И = I И r И имеет место постоянное отношение

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Технические вольтметры имеют однопредельные добавочные сопротивления, а образцовые и лабораторные — многопредельные, позволяющие использовать отдельные части добавочного сопротивления для получения различных номинальных напряжений.
Магнитоэлектрические приборы изготовляются классов точности 0,1—2,5.
Из свойств этих приборов отметим: пригодность для работы в цепях постоянного тока, высокую чувствительность, незначительное влияние температуры и внешних магнитных полей, равномерную шкалу, малую мощность потерь и чувствительность к перегрузкам.

б) Выпрямительные амперметры и вольтметры

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Выпрямительный амперметр coстоит из магнитоэлектрического измерителя и нескольких полупроводниковых вентилей, соединенных по одной из выпрямительных схем , а выпрямительный вольтметр, кроме того, имеет добавочное сопротивление.
В простейшем случае выпрямительный амперметр (рис. 8-12) состоит из измерителя, включенного последовательно с вентилем, пропускающим ток в одном направлении, так что через измеритель в течение каждого периода проходит только одна полуволна переменного тока. Обратная полуволна тока проходит по второй параллельной ветви, в которой вентиль включен в обратном направлении. Средний за период вращающий момент и угол поворота подвижной части амперметра зависят от среднего значения тока, проходящего через измеритель, которое при синусоидальном токе пропорционально действующему значению тока. Эти значения и наносятся на шкале амперметра. Для расширения предела измерения тока применяются шунты.
У вольтметра вследствие постоянства его сопротивления действующие значения тока пропорциональны действующим значениям напряжения на его зажимах, которые непосредственно и отсчитываются на шкале прибора.
Выпрямительные приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до
10 кГц. Класс точности их 1,5—2,5.

в) Термоэлектрические амперметры и вольтметры

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Термоэлектрический амперметр состоит из магнитоэлектрического измерителя с контактным (а) или бесконтактным (б) термопреобразователем (рис. 8-13), а вольтметр имеет еще добавочное сопротивление.
Термопреобразователь состоит из проводника — нагревателя H (рис. 8-13) и приваренной к нему или не соединенной с ним термопары Т . Последняя образуется двумя проводами из разных металлов, рабочие концы которых сварены вместе, а свободные концы присоединяются к магнитоэлектрическому измерителю.
Измеряемый переменный ток, проходя по нагревателю, вызывает его нагревание и. нагревание рабочих концов термонары. Вследствие этого на ее свободных концах возникает термо-э. д. с, а в подвижной рамке измерителя ток, под действием которого рамка повертывается на угол, зависящий от измеряемого тока. На шкале амперметра наносятся деления, сооветствующие действующим значениям измеряемого тока, а на шкале вольтметра деления, соответствующие действующим значениям напряжения, которые вследствие постоянства сопротивления вольтметра пропорциональны действующим значениям тока.
Термоэлектрические приборы предназначены для работы в цепях переменного тока с частотой до 10—50 МГц. Класс точности их 1,5—2,5.

г) Электромагнитные амперметры и вольтметры

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Электромагнитный амперметр — это измеритель , на шкале которого нанесены значения измеряемого тока, проходящего по его катушке. Катушку амперметра можно изготовить из провода любого сечения, на любой номинальный ток (до 300 А и выше), так как она неподвижна и масса ее не влияет на погрешность от трения.
Электромагнитный вольтметр состоит из измерителя на номинальный ток 20—30 мА, добавочного сопротивления из маганина и шкалы, проградуированной в значениях напряжения.
Активное добавочное сопротивление несоизмеримо больше реактивного сопротивления катушки измерителя, так что сопротивление вольтметра, практически активное, не зависит от температуры и частоты.
Угол поворота подвижной части зависит от тока в катушке и пропорционального ему напряжения на зажимах вольтметра.
Электромагнитные приборы предназначены для цепей переменного тока промышленной частоты. Класс точности их 0,5—2,5.

д) Электродинамические и ферродинамические амперметры и вольтметры
Электродинамический амперметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого соединяются последовательно или параллельно в зависимости от номинального тока, а на шкале нанесены значения тока, проходящего по амперметру.
Подвижная катушка измерителя для уменьшения погрешности от трения делается легкой из провода малого сечения. Неподвижная катушка выполняется из провода такого же или большего сечения в зависимости от номинального тока амперметра. В миллиамперметрах катушки соединяются последовательно, в амперметрах — параллельно (рис. 8-14).

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

При последовательном соединении катушек в них проходит измеряемый ток ( I 1 = I 2 = I ) и угол поворота подвижной части прибора пропорционален квадрату тока (8-7)

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

При параллельном соединении катушек амперметра угол поворота стрелки так же будет пропорционален квадрату тока (8-10), если активные добавочные сопротивления в ветвях r Д1 и r Д2 подобрать так, чтобы токи в ветвях I 1 и I 2 совпадали по фазам ( φ = 0) и каждый из них был пропорционален измеряемому току I .
Электродинамический вольтметр состоит из измерителя того же названия, катушки которого
(номинальный ток 20—50 мА) соединены последовательно с добавочным сопротивлением
(рис. 8-14). Последнее предназначено для расширения предела измерения напряжения и уменьшения влияния температуры, рода тока и частоты на показания вольтметра.
Электродинамические приборы изготовляются классов точности 0,1—0,5 для цепей постоянного и переменного тока стандартной и повышенной частоты до 2 кГц. Они чувствительны к перегрузкам и к внешним магнитным полям. Для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются экраны и астатические измерители.
Ферродинамические амперметры и вольтметры применяются главным образом как самопишущие приборы для цепей переменного тока, имея те же внутренние измерительные схемы, что и электродинамические приборы. Ферродинамические приборы обладают большим вращающим моментом, прочной и надежной конструкцией. Они мало чувствительны к внешним магнитным полям. Класс точности их 1,5—2,5.

§ 96. Магнитоэлектрические приборы

Устройство и принцип действия.

Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Рис. 321. Устройство магнитоэлектрического измерительного механизма

При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол α. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то:

где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).

Повороту подвижной части измерительного механизма препятствует противодействующий момент Мпр, создаваемый спиральными пружинами или растяжками. Этот момент пропорционален углу закручивания, т. е. углу поворота α подвижной части, при этом:

где c2 — постоянная величина, зависящая от жесткости спиральных пружин или растяжек.

Поворот подвижной части измерительного механизма и стрелки будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент М, создаваемый током I, не уравновесится противодействующим моментом Мпр. В момент равновесия М = Мпр, откуда получим:

Следовательно, угол поворота в подвижной части пропорционален измеряемому току I. Поэтому магнитоэлектрические приборы имеют равномерную шкалу.

Постоянная величина к называется чувствительностью прибора, она характеризуется углом поворота стрелки в градусах или в делениях шкалы, приходящимся на единицу изменения измеряемой величины.

Величина, обратная чувствительности, c=1/к называется постоянной прибора, или ценой деления. Если умножить отсчет по шкале на цену деления прибора с, то можно определить значение измеряемой величины. Для устранения колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое электроизмерительные приборы снабжают воздушными или магнитно-индукционными демпферами.

Воздушный демпфер (рис. 322, а) выполнен в виде цилиндрической камеры, внутри которой перемещается крыло 1 в виде поршня, связанного с подвижной системой. При перемещении подвижной части происходит торможение движущегося в камере 2 крыла, и колебания подвижной части быстро затухают.

Магнитно-индукционный демпфер (рис. 322, б) выполнен в виде неподвижного постоянного магнита 3, который при повороте подвижной системы прибора индуцирует вихревые токи в металлическом (алюминиевом) секторе 4, установленном на оси прибора.

Взаимодействие этих токов с магнитом создает согласно правилу Ленца силу, тормозящую подвижную систему и обеспечивающую быстрое затухание колебаний стрелки. В магнитоэлектрических приборах роль демпфера выполняет алюминиевый каркас 6 катушки (см. рис. 321,б).

При повороте подвижной части прибора изменяется магнитный поток, пронизывающий каркас катушки. Благодаря этому в каркасе индуцируются вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем магнита создает тормозной момент, обеспечивающий быстрое успокоение подвижной части.

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Рис. 322. Воздушный (а) и магнитно-индукционный (б) демпферы

Для того чтобы любой электроизмерительный прибор обеспечил требуемую точность измерений, необходимо, чтобы отклонение подвижной системы прибора определялось только вращающим моментом, создаваемым катушкой, и противодействующим усилием пружины. Для устранения влияния силы тяжести, создающей погрешности при измерениях, подвижную систему прибора (рис. 323) уравновешивают противовесами 5 (рис. 323, а), представляющими собой стержни с перемещающимися по ним грузиками.

Вольтметр система прибора магнитоэлектрическая

Рис. 323. Устройство подвижной части электроизмерительного прибора

Для уменьшения влияния трения оси приборов снабжают тщательно отполированными стальными наконечниками 1, выполненными из материала с высокой износостойкостью (закаленная сталь, вольфрамо-молибденовый сплав и пр.). Наконечники вращаются в подпятниках 4, выполняемых с вкладышами 2 из корунда, агата, рубина и т. п. Зазоры между наконечниками и подпятником регулируются стопорным винтом 3.

Электроизмерительные приборы обычно снабжают корректором — приспособлением, позволяющим устанавливать стрелку в нулевое положение. Корректор состоит из винта 6, выходящего из корпуса, и поводка 7, при помощи которых можно смещать на некоторое расстояние точку закрепления спиральной пружины 8, создающей противодействующее усилие.

В большинстве современных электроизмерительных приборов подвижная часть 11 подвешивается на двух растяжках 10 — упругих металлических лентах, которые служат для подвода тока к катушке прибора и одновременно создают противодействующий момент (рис. 323,б). Растяжки прикреплены к двум плоским пружинам 9 и 12, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Кроме рассмотренного выше измерительного механизма с внешним (по отношению к катушке) постоянным П-образным магнитом, существуют механизмы с магнитами другой формы (цилиндрической, в виде призмы, а также с внутрирамочными неподвижными и подвижными магнитами).

Применение прибора.

Приборы магнитоэлектрической системы применяют для измерения тока и напряжения в электрических цепях постоянного тока. В частности, на э.п.с. и тепловозах их используют в качестве амперметров и вольтметров. В амперметрах и вольтметрах катушка прибора имеет различное сопротивление и включается по различным схемам (см. § 101).

Для уменьшения проходящего по катушке тока и компенсации влияния температуры на показания прибора в вольтметрах последовательно с катушкой включают добавочный резистор, который обычно встраивается в корпус прибора. Сопротивление этого резистора значительно больше сопротивления катушки, и он выполнен из материала, электрическое сопротивление которого весьма мало зависит от температуры (константан, манганин и пр.). В амперметрах параллельно катушке прибора часто включают образцовый резистор, называемый шунтом.

Сопротивление шунта значительно меньше сопротивления катушки прибора, вследствие чего измеряемый ток в основном проходит по шунту. Шунты и добавочные резисторы служат для расширения пределов измерения приборов.

Из принципа действия магнитоэлектрического прибора следует, что направление отклонения его стрелки зависит от направления тока I, проходящего по катушке. Следовательно, при включении этих приборов в цепь постоянного тока должна быть соблюдена правильная полярность, при которой стрелка отклоняется в требуемую сторону.

Для переменного тока магнитоэлектрические приборы непригодны, так как при питании катушки переменным током среднее значение создаваемого ею вращающего момента равно нулю и стрелка прибора будет стоять на нуле, испытывая чуть заметные колебания.

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются равномерность шкалы, высокая точность и независимость показаний от посторонних магнитных полей. К недостаткам их относятся непригодность для измерения переменного тока, необходимость соблюдения полярности при включении и чувствительность к перегрузкам (при перегрузке тонкая проволока катушки и спиральные пружины, подводящие к ней ток, могут сгореть).

Источник