′ из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).
26. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА
Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную обмотку с током . Неподвижный элемент прибора – обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 32).
Рис. 32. Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы
Подвижный элемент – стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, он эксцентрично укрепленна оси O . С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось O поворачивается, и стрелка прибора отклоняется на угол 6.
Магнитная индукция B в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току обмотки.
Сила F , с которой сердечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной индукции B в сердечнике. Приближенно можно принять, что сила F , а следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:
M вр = CI 2.
Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу α. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной.
Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О . Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.
Достоинства приборов электромагнитной системы – простота конструкции, пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его магнитная индукция невелика.
Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах на оси подвижной части укреплены два одинаковых сердечника, каждый из них размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно. Направление намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф 1 и Ф 2 направлены в противоположные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно M вр1 + M вр2 = M вр. Постороннее магнитное поле Ф вн ослабляет поток Ф 1, но усиливает поток Ф 2. В результате общий вращающий момент М вр остается неизменным и зависит от измеряемого тока I . Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.
27. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Приборы этой системы (рис. 33) состоят из двух обмоток: неподвижной (рис. 33а) и подвижной (рис. 33б). Подвижная обмотка укреплена на оси OO ′ и расположена внутри неподвижной обмотки. На оси OO подвижной обмотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4′, через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент М пр, пропорциональный углу закручивания α. Принцип действия прибора (рис. 33б) основан на взаимодействии тока 12 подвижной обмотки с магнитным потоком Ф 1 неподвижной обмотки.
Рис. 33. Устройство электроизмерительного прибора электродинамической системы (а); пояснение принципа действия прибора (б)
При постоянном токе электромагнитная сила F эм, действующая на проводники подвижной обмотки, пропорциональна току и магнитному потоку Ф 1.
Поскольку поток Ф 1 пропорционален току I 1 неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален произведению токов обмоток:
М вр = С ′Ф 1 I 2 = С ′′I 1 I 2,
где С и С ′′ – коэффициенты пропорциональности.
При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:
i 1 = I 1 m sin ωt и i 2 = I 2 m sin (ωt + ψ).
Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:
где С – коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек;
I 1 и I 2 – действующие значения токов в обмотках;
ψ – угол сдвига фаз между векторами токов I 1 и I 2.
При равенстве моментов ( М вр = М пр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы. Электродинамические приборы применяют для измерения мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.
Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсутствием ферромагнитных сердечников) и могут быть использованы для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой системы используются в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров.
28. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Показания электроизмерительных приборов несколько отличаются от действительных значений измеряемых величин. Это вызвано непостоянством параметров измерительной цепи (изменением температуры, индуктивности и т. п.), несовершенством конструкции измерительного механизма (наличие трения и т. д.) и влиянием внешних факторов (внешних магнитных и электрических полей, изменений температуры окружающей среды и т. д.).
Разность между измеренным Au и действительным A д значениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностью измерения: ΔA = Au – A д.
Если не учитывать значения измеряемой величины, то абсолютная погрешность не дает представления о степени точности измерения. Предположим, что абсолютная погрешность при измерении напряжения составляет ΔU = 1B. Если указанная погрешность получена при измерении напряжения в 100 В, то измерение произведено с достаточной степенью точности. Если же погрешность ΔU = 1B получена при измерении напряжения в 2 В, то степень точности недостаточна. Поэтому погрешность измерения принято оценивать не абсолютной, а относительной погрешностью.
Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах:
Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении не известно, для определения АА и у можно воспользоваться классом точности прибора, представляющим собой обобщенную характеристику средств измерений, определяемую предельными допустимыми погрешностями.
Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор.
Под основной приведенной погрешностью прибора понимают абсолютную погрешность, выраженную в процентах по отношению к номинальной величине прибора:
Например, прибор класса точности 0,5 имеет g пр = ± 0,5 %.
29. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА
В установках постоянного тока для этой цепи применяются главным образом приборы магнитоэлектрической системы и реже – приборы электромагнитной системы. В установках переменного тока используются преимущественно амперметры электромагнитной системы. Для уменьшения погрешности измерения необходимо, чтобы сопротивление амперметра (или полное сопротивление амперметра и шунта) было на два порядка меньше сопротивления любого элемента измеряемой цепи.
Для расширения предела измерения амперметра (в k раз) в цепях постоянного тока служат шунты(резисторы, включаемые параллельно амперметру (рис. 34).
Рис. 34. Схема присоединения шунта к амперметру
Сопротивление шунта определяется из соотношения
r ш ( I max – I a, Н) = r a I a, Н,
где I max – наибольшее значение тока в контролируемой цепи (предел измерения тока амперметром при наличии шунта);
I a, Н – предельное (номинальное) значение тока прибора при отсутствии шунта.
Отсюда
где I a – показание амперметра.
Шкалу амперметра часто градуируют с учетом включенного шунта; тогда значение измеряемого тока I отсчитывается непосредственно по шкале прибора.
В цепях переменного тока для расширения пределов измерения амперметров используют трансформаторы тока.
Методы измерений. На практике применяют различные методы измерения электрических величин. Наибольшее распространение в электроизмерительной технике получил метод непосредственной оценки . При использовании этого метода числовое значение измеряемой величины определяют непосредственно по показанию прибора, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины. К подобным измерениям относят определение тока по показанию амперметра, напряжения по показанию вольтметра, мощности по показанию ваттметра, сопротивления по показанию омметра, cos φ по показанию фазометра и т. д.
В некоторых случаях электрическую величину приходится определять косвенно – по данным измерений других электрических величин. Так, значение cos