Измерение тока и напряжения

В повседневной практике для технических измерений электри­ческих токов и напряжений применяют чаще всего стрелочные приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Магнитоэлектрический измерительный механизм. Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии постоянного магнитного поля и электрического тока. Одна из конструктивных схем показана на (рис. 6.7.)

В магнитную цепь прибора входят: сильный постоянный маг­нит 1, ярмо 2, полюсные наконечники 3, сердечник 4. В воздушных зазорах между полюсными наконечниками и сердечником создает­ся равномерное радиальное магнитное поле. Этого достигают пу­тем соответствующего оформления и тщательной обработки полюсных наконечников. Вокруг оси 6 и сердечника в пределах уг­ла 90° может поворачиваться катушка 5, т. е. обмотка из медного изолированного провода на легком алюминиевом каркасе в виде рамки.

Если в катушке имеется ток 1_к, тона каждый ее проводник дли­ной l со стороны магнитного поля действует электромагнитная си­ла F_м = BI_Kl [см. формулу (3.24)].

 

 

Относительно оси рамки создается вращающий момент М_вр = = NSBI_к, где N — число витков обмотки; S—площадь рамки; В — магнитная индукция — величины, постоянные для данного прибора. Поэтому М_вр=k_врI_к Противодействующий момент M_пр = k_прα создается пружинами.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чув­ствительность, малое собственное потребление энергии, малую за­висимость показаний от внешних магнитных полей. Эти преимущества обеспечиваются тем, что постоянный магнит созда­ет сильное магнитное поле, а магнитопровод является одновремен­но магнитным экраном; подвижная часть механизма очень лег­кая.

Вместе с тем направление вращающего момента зависит от на­правления тока в катушке, а это значит, что магнитоэлектрические приборы можно использовать только в цепях постоянного тока. Легкая конструкция подвижной части не допускает механической и электрической перегрузок.

Для использования преимуществ магнитоэлектрического измерительного механизма в цепях переменного тока его соединя­ют с выпрямителем на полупроводниковых вентилях. При этом со­храняются высокая чувствительность, малое потребление энер­гии, но точность значительно снижается из-за несовершенства вы­прямителя.

Электромагнитный измерительный механизм. Подвижный ферромагнитный сердечник в магнитном поле перемещается в та­кое положение, при котором магнитный поток в электромагнитном устройстве будет наибольшим.

Это лежит в основе действия электромагнитного изме­рительного механизма, одна из конструктивных схем которого показана на рис. 6.8.

Ток I_к в неподвижной катушке 1 создает магнитное поле, под действием которого подвижный сердечник 4 в форме лепестка из магнитомягкого ферромагнетика, укрепленный эксцентрично на оси 5, втягивается в узкую щель внутрь катушки. Ось поворачива­ется и поворачивает укрепленную на ней стрелку.

При более подробном рассмотрении вопроса можно доказать, что вращающий момент в данном случае пропорционален квадра­ту тока в катушке M_вp=k_2вpI²_к , а противодействующий момент пружины 6 M_пр=k_2вpα.

Направление вращающего момента в приборах электро­магнитной системы не зависит от направления тока, так как при любом знаке тока момент положительный. Отсюда следу­ет, что электромагнитные приборы можно изготовлять для измере­ния в цепях постоянного и переменного тока.

Однако в цепи постоянного тока электромагнитный прибор может давать разные показания (до 2%) при одной и той же измеряемой величине, что связано с влиянием магнитного гистере­зиса.

При переменном токе на точность электромагнитных приборов отрицательно влияют потери от гистерезиса и вихревых токов в сердечниках. К недостаткам электромагнитной системы надо от­нести также значительное влияние внешних магнитных полей на показания приборов, относительно большое собственное потребле­ние энергии, неравномерность шкалы.

Несмотря на отмеченные недостатки, электромагнитные приборы — простые по устройству, дешевые, устойчивы к пере­грузкам, широко применяются, особенно в качестве технических щитовых приборов в цепях переменного тока.

Измерение тока и напряжения. Предположим, что измеряемой величиной является ток I. Этот ток или некоторая часть его направляется в катушку измерительного механизма (токI_к).Зави­симость угла поворота стрелки магнитоэлектрического прибора от величины тока в катушке получена ранее [см. формулу (6.1)]. При измерении больших токов в цепь измеряемого тока включают шунт — резистор, имеющий малое, но постоянное сопротивление R_ш, параллельно которому присоединена катушка измерительного механизма (рис. 6.9).

В этом случае подвижная часть измерительного механизма от­клоняется в соответствии со значением тока в катушке I_к, но на шкале прибора, отградуированной на измеряемый ток, стрелка по­казывает величину измеряемого тока, который пропорционален току в катушке: I=I_к (1 + R_к/R_ш), где R_к — сопротивление цепи катушки, R_ш — сопротивление шунта.

Выразим отсюда ток I_к и подставим в формулу (6.1), получим уравнение, непосредственно определяющее зависимость угла поворота подвижной части прибора от измеряемого тока, где чувствительность прибора по току (постоянная величина).

 

α= S_1тI (6.2)

 

 

 

Электроизмерительный прибор, шкала которого отградуирована по уравнению (6.2), измеряет значение тока, т. е. является амперметром.

Для электромагнитного измерительного механизма зависи­мость a = f (I_к) получается аналогично из равенства М_вр=М_пр или k_2вpI²_к= k_2пр α:

 

Электромагнитные амперметры применяют обычно без шун­тов, т. е. большие токи (до 200 А) пропускают непосредственно по катушке измерительного механизма. Такое решение возможно по­тому, что катушка неподвижна и может быть изготовлена из провода различной, в том числе большой, толщины в зависимости от предела измерения тока и конструкции подвижной части прибо­ра. Например, катушка на номинальный ток 100 А имеет всего один виток из толстой медной шины. При равенстве I_к = I зависимость a = f (I_к) для электромагнитного амперметра имеет вид:

a = S_2TI². (6.3)

Амперметр включается последовательно в цепь измеряемого тока. Для того чтобы амперметры возможно меньше влияли на значение измеряемого тока, их изготовляют с малым собственным сопротивлением (обычно доли Ома).

Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные механизмы можно использовать для измерения электрического напряжения. С этой целью последовательно с катушкой измери­тельного механизма (сопротивление R_к) соединяют добавочный резистор, имеющий относительно большое и постоянное сопротивление R_д (рис. 6.10).

Такую измерительную цепь включают параллельно участку цепи, на котором предполагается измерить напряжение U. В этом случае ток в катушке измерителя I_K=U/(R_к+R_д).

Подставив это выражение в (6.2) и (6.3), получим уравнения, выражающие зависимость угла поворота подвижной части измерителя от напряжения на его зажимах: для магнитоэлектриче­ского прибора α=S_1нU, для электромагнитного прибора α=S_2нU² - постоянные величины (S_H — чувствительность прибора по напряжению).

Электроизмерительный прибор, отградуированный согласно тому или другому из этих уравнений, измеряет величину электрического напряжения, т. е. является вольтметром.

Вольтметры изготовляют с большим собственным сопротивле­нием (обычно десятки или сотни ом). Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше он изменяет общее сопротивление участка цепи, параллельно которому подключен, т. е. тем меньше изменяет величину измеряемого напряжения. Для расширения пределов измерения применяют также внешние добавочные резисторы к вольтметрам и шунты к магнитоэлектрическим ампер­метрам.

В электрических цепях переменного тока для измерения боль­ших токов и напряжений применяют измерительные транс­форматоры тока и напряжения. При измерениях в сетях высо­кого напряжения они служат не только для расширения пределов измерения, но и в целях безопасности обслуживания электроизмерительных приборов.