2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Читать в pdf

Выпрямительные приборы с магнитоэлектрическим ИМ

Выпрямительные приборы представляют собой соединение магнитоэлектрического ИМ с полупроводниковым выпрямителем чаще всего с двухполупериодной схемой выпрямления (рис.10).

Рис. 10

На рис. 10 обозначены: Т — период переменного тока, i — мгновенное значение переменного тока на входе прибора, i_и — мгновенное значение выпрямленного тока в рамке магнитоэлек­трического ИМ. Вращающий момент М_вр в этом ИМ будет пере­менным во времени, так как переменным во времени является ток в рамке.

Подвижная часть ИМ, обладая значительной инерцией, реаги­рует на среднее за период значение вращающего момента и соот­ветственно на среднее за период значение тока в рамке. Послед­нее равно среднему значению выпрямленного по двухполупери­одной схеме входного тока I_ср. С учетом изложенного вращаю­щий момент М_вр магнитоэлектрического ИМ выпрямительного прибора может быть представлен в виде зависимости

В свою очередь уравнение преобразования магнитоэлектриче­ского ИМ для выпрямительного прибора будет определяться зависимостью

где W — удельный противодействующий момент.

Чувствительность по току магнитоэлектрического ИМ для вы­прямительного прибора может быть представлена в виде формулы

Как следует из формулы (15), в которую входят все постоянные величины, чувствительность выпрямительных приборов с магни­тоэлектрическим ИМ также величина постоянная: S_I = const.

Характер шкалы выпрямительных приборов с магнитоэлектри­ческим ИМ равномерный, что объясняется линейной зависимо­стью (14) показаний прибора от измеряемой величины.

Выпрямительные приборы имеют меньшую точность и чувст­вительность по сравнению с самим магнитоэлектрическим ИМ. Это объясняется свойствами полупроводникового выпрямителя. Одно из них — зависимость вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямителя от температуры, другое — наличие паразитной емкости у выпрямителя. Первое свойство приводит к изме­нению параметров выпрямителя с изменением температуры. Вто­рое свойство приводит к ухудшению ВАХ реального выпрямите­ля по сравнению с идеальным. Оба эти свойства полупроводни­кового выпрямителя в конечном итоге ухудшают такие метрологические характеристики выпрямительных приборов, как точ­ность и чувствительность.

Выпрямительные приборы измеряют среднее значение выпрямленного тока и напряжения. Если шкала выпрямительного прибора градуирована в средних значениях измеряемой величи­ны, показания такого прибора не зависят от формы измеряемого тока или напряжения. Однако следует иметь в виду, что боль­шинство выпрямительных приборов выпускают со шкалой, градуированной в действующих значениях измеряемой величины. Это легко осуществляется, так как действующее значение переменного тока и его среднее выпрямленное значение связаны про­стым линейным соотношением

где k_ф — коэффициент формы, зависящий от формы перемен­ного тока и схемы его выпрямления.

Значение k_ф приводится во многих математических, электро- и радиотехнических справочниках. Например, при двухполупериодной схеме выпрямления:

k_ф = 1,11 —для синусоидального тока;

k_ф = 1,0 — для тока прямоугольной формы.

Все отечественные выпрямительные амперметры и вольтмет­ры, как правило, выпускаются со шкалой, градуированной в дей­ствующих значениях измеряемой величины для синусоидальной формы тока, т.е. с учетом коэффициента формы k_ф=1,11. При этом следует иметь в виду, что при градуировке шкалы прибора в действующих значениях измеряемой величины его показания будут отягощены значительной погрешностью от формы измеряемого тока, если она отличается от синусоидальной. Например, при измерении силы тока прямоугольной формы таким выпрями­тельным прибором погрешность от формы измеряемого тока со­ставит 11%. Исключить эту погрешность можно, вычислив дей­ствующее значение измеряемого тока по формуле

где I~ — показание выпрямительного прибора, градуированно­го в действующих значениях измеряемой величины;

k_ф — коэффициент формы измеряемого тока.

Частотный диапазон выпрямительных приборов ограничивает­ся рабочими частотами полупроводникового выпрямителя, ис­пользованного в приборе и, как правило, не превышает 300 кГц.

Термоэлектрические приборы с магнитоэлектрическим ИМ

Термоэлектрические приборы представляют собой соединение магнитоэлектрического измерительного механизма с термоэлек­трическим преобразователем (рис. 11).

Рис. 11

Переменный ток, действующее значение которого I, пропуска­ется через нагреватель термопреобразователя Т_пр. Через магнито­электрический измерительный механизм ИМ протекает постоян­ный ток I_и, который прямо пропорционален термоэдс Е_т, возни­кающей между  холодными  концами  термопары,   и   обратно  про­порционален  сумме сопротивлений термопары R_т, соединитель­ных проводов R_пр и измерительного механизма R_и. В свою очередь термоэдс прямо пропорциональна тепловой мощности, вы­деляемой в нагревателе, которая определяется квадратом дейст­вующего значения переменного тока I, протекающего через на­греватель термопары.

С учетом изложенного ток измерительного механизма I_и оказы­вается равным:

I_и=E_т/(R_т+R_пр+R_н)=k_тI/(R_т+R_пр+R_н).

Таким образом, вращающий момент Мвр магнитоэлектрического ИМ термоэлектрического прибора может быть представлен в виде зависимости

где k_т — коэффициент термопреобразования, учитывающий тип и конструкцию термопреобразователя.

Очевидно, что в термоэлектрических приборах должны исполь­зоваться калиброванные провода и тот тип термопреобразовате­ля, который соответствует градуировке шкалы прибора.

С учетом формулы (18) уравнение преобразования магнито­электрического ИМ для термоэлектрического прибора будет оп­ределяться зависимостью

где W — удельный противодействующий момент.

Чувствительность по току магнитоэлектрического ИМ для тер­моэлектрического прибора может быть представлена в виде фор­мулы

Как следует из формулы (20), чувствительность термоэлектри­ческих приборов с магнитоэлектрическим ИМ зависит от изме­ряемой величины и поэтому является величиной непостоянной: S_I ≠ const.

Характер шкалы термоэлектрических приборов с магнитоэлек­трическим ИМ неравномерный, степенной, что объясняется нелинейной, степенной зависимостью (19) показаний прибора от измеряемой величины.

Низкая точность термоэлектрических приборов в значительной степени объясняется большими потерями тепловой энергии в тер­мопреобразователе.

Низкая чувствительность этих приборов обусловлена очень малым значением термоЭДС (несколько десятков милливольт на 1000 °С). Для повышения чувствительности термоэлектрических приборов выбирается почти предельный нагрузочный режим термопреобразователя. Этим объясняется тот факт, что у термоэлектрических приборов низкая перегрузочная способность, даже 10%-я перегрузка может вывести термопреобразователь из строя.

Термоэлектрические приборы измеряют действующее значение тока или напряжения, так как измеряемая величина в уравнение преобразования (19) входит во второй степени.

Частотный диапазон термоэлектрических приборов достаточно широк и ограничивается поверхностным эффектом и эффектом близости в термопреобразователе. Верхняя граница частотного диапазона термоэлектрических приборов определяется значением около 10 МГц.

Показания термоэлектрических приборов практически не зави­сят от формы измеряемой величины, так как входное сопротив­ление у них остается практически одинаковым даже для гармо­ник очень высоких частот.

Приборы с электромагнитным измерительным механизмом

У приборов с электромагнитным ИМ вращающий момент соз­дается за счет взаимодействия ферромагнитного сердечника с магнитным полем неподвижной катушки (рамки), по которой протекает измеряемый ток. Вращающий момент М_вр определяет­ся зависимостью

где I — значение силы тока в неподвижной катушке;

L — значение индуктивности катушки;

dL/dα — производная от индуктивности по углу поворота под­вижной части ИМ.

Уравнение преобразования у таких измерительных механизмов имеет следующий вид:

Чувствительность по току электромагнитных ИМ в соответст­вии с формулой (8) определяется зависимостью

Как следует из формулы (23), чувствительность электромагнитных ИМ зависит от измеряемой величины и от перемещения их подвижной части и поэтому является величиной непостоян­ной: S_I ≠ const.

Характер шкалы приборов с электромагнитным ИМ неравномерный, степенной, что объясняется нелинейной, степенной за­висимостью (22) показаний прибора от измеряемой величины.

Точность и чувствительность приборов с электромагнитным ИМ средняя.

Амперметры и вольтметры с электромагнитным ИМ работают как на постоянном, так и на переменном токе. Это объясняется тем, что сила тока в уравнение преобразования (22) электромаг­нитного ИМ входит во второй степени. На переменном токе по­казания приборов с электромагнитным ИМ соответствуют дейст­вующим значениям измеряемых величин. Это следует из того, что из-за инерции подвижной части ИМ реагирует на среднее за период значение вращающего момента. Однако мгновенное зна­чение вращающего момента зависит от мгновенного значения то­ка или напряжения в квадрате. Следовательно, показание прибора с электромагнитным ИМ будет зависеть от среднего за период значения силы тока или напряжения в квадрате. В электротехни­ке среднее квадратическое за период значение тока или напряже­ния называют действующим значением.

Частотный диапазон приборов с электромагнитным ИМ ограничен частотами до 2-3 кГц. Это объясняется наличием индуктивного входного сопротивления и ферромагнитного сер­дечника в ИМ.

Зависимость показаний приборов с электромагнитным ИМ от формы измеряемого напряжения или тока слабая, так как входная индуктивность у этих ИМ небольшая.

Приборы с электродинамическим измерительным механизмом

У приборов с электродинамическим измерительным механиз­мом вращающий момент создается за счет взаимодействия маг­нитных полей двух обтекаемых токами катушек, одна из которых подвижная, а другая неподвижная.

Вращающий момент М_вр определяется зависимостью

где I_н и I_п — значение силы тока в неподвижной и подвижной катушках;

ψ — фазовый сдвиг токов в неподвижной и подвижной катуш­ках;

М — коэффициент взаимной индуктивности между катушками;

dM / dα — производная от взаимной индуктивности по углу по­ворота подвижной катушки относительно неподвижной.

Особенностью конструкции электродинамических измеритель­ных механизмов является полное отсутствие в них ферромагнит­ных сердечников или деталей.

Уравнение преобразования у таких измерительных механизмов имеет следующий вид:

Формула (25) требует пояснения. Дело в том, что у вольтмет­ров с электродинамическим ИМ подвижная и неподвижная ка­тушки соединяются последовательно друг с другом, а у ампер­метров — или последовательно, или параллельно. При последо­вательном соединении очевидно, что I_н=I_п=I и ψ=0. При параллельном соединении ток в каждой из катушек пропорциона­лен общему току, а их произведение пропорционально квадрату значения общего тока. Условие ψ=0 достигается подбором па­раметров катушек.

Чувствительность по току электродинамических ИМ в соответ­ствии с формулой (8) определяется зависимостью

Как следует из формулы (26), чувствительность электродина­мических ИМ зависит от измеряемой величины и от перемеще­ния их подвижной части и поэтому является величиной непосто­янной: S_I ≠ const.

Характер шкалы приборов с электродинамическим ИМ нерав­номерный, степенной, что объясняется нелинейной, степенной зависимостью (25) показаний прибора от измеряемой величины.

Точность приборов с электродинамическим ИМ высокая, тогда как чувствительность низкая. Этим объясняется тот факт, что они чаще используются как образцовые приборы и не используются как рабочие.

Высокая точность электродинамических амперметров и вольт­метров обусловлена отсутствием ферромагнитных элементов в ИМ, которые в измерительном приборе являются источниками различных погрешностей. Отсутствием ферромагнитных элемен­тов объясняется также и низкая чувствительность приборов с электродинамическим ИМ, так как магнитное поле катушек без сердечников и их взаимодействие оказываются очень слабыми. Высокая точность электродинамических приборов обеспечивает их малую инструментальную погрешность измерения, тогда как низкая чувствительность является причиной большой методиче­ской составляющей погрешности измерения. Это связано с тем, что от чувствительности прибора зависит мощность сигнала из­мерительной информации, отбираемая ИМ из цепи измерения.

Амперметры и вольтметры с электродинамическим ИМ рабо­тают как на постоянном, так и на переменном токе. Это объясня­ется тем, что сила тока в уравнение преобразования (17) электро­динамического ИМ входит во второй степени. На переменном токе показания приборов с электродинамическим ИМ, так же как и приборов с электромагнитным ИМ, соответствуют действую­щим значениям измеряемых величин.

Частотный диапазон приборов с электродинамическим ИМ ог­раничен частотами до 5 кГц. Это объясняется наличием индук­тивного входного сопротивления. Отсутствие ферромагнитных деталей в измерительном механизме является причиной более высокой частотной границы электродинамических ИМ по срав­нению с электромагнитными ИМ.

Зависимость показаний приборов с электродинамическим ИМ от формы измеряемого напряжения или тока слабая, так как входная индуктивность у этих ИМ небольшая.

Приборы с ферродинамическим измерительным механизмом

Ферродинамический ИМ отличается от электродинамического лишь тем, что у первого и подвижная и неподвижная катушки имеют ферромагнитные сердечники. Вращающий момент ферродинамического ИМ, так же как и у электродинамического ИМ, создается за счет взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек, усиленных ферромагнитными сердеч­никами. Именно поэтому зависимость, определяющая вращаю­щий момент М_вр ферродинамического ИМ, та же, что и у элек­тродинамического ИМ (см. формулу (24)). Уравнение преобразо­вания ферродинамического ИМ и формула для определения его чувствительности по той же причине аналогичны тем, которые были приведены для электродинамического ИМ: (25) и (26).

Характер шкалы приборов с ферродинамическим ИМ, так же как и у приборов с электродинамическим ИМ, неравномерный, степенной, что также объясняется нелинейной, степенной зави­симостью (25) показаний прибора от измеряемой величины.

Приборы с ферродинамическим ИМ содержат большой объем ферромагнитного материала в сердечниках и магнитопроводах. Поэтому они обладают низкой точностью, высокой чувствитель­ностью и значительным вращающим моментом. Перечисленные свойства приборов с ферродинамическим ИМ позволяют исполь­зовать их в качестве рабочих в тяжелых условиях эксплуатации (движение, тряска, вибрация, пыль и т.п.).

Амперметры и вольтметры с ферродинамическим ИМ, так же как и с электродинамическим ИМ, работают как на постоянном, так и на переменном токе. Это объясняется тем, что сила тока в уравнение преобразования (25) ферродинамического ИМ вхо­дит во второй степени. На переменном токе показания приборов с ферродинамическим ИМ, так же как и приборов с электродина­мическим ИМ, соответствуют действующим значениям измеряе­мых величин.

Частотный диапазон приборов с ферродинамическим ИМ зна­чительно уже частотного диапазона приборов с электродинами­ческим ИМ и ограничен частотами до 1,5 кГц, но наиболее широ­ко такие приборы используют для измерений тока и напряжения промышленной частоты 50, 400 Гц. Это объясняется наличием большого объема ферромагнитного материала в сердечниках и магнитопроводах приборов с ферродинамическим ИМ.

Зависимость показаний приборов с ферродинамическим ИМ от формы измеряемого напряжения или тока значительная, так как входная индуктивность у этих ИМ большая из-за большо­го объема ферромагнитных сердечников в катушках ИМ.

---

Назад

Содержание

Вперед