2020-04-07
132
1. Магнитоэлектрические приборы
Основной функциональной частью магнитоэлектрического прибора является измерительный механизм. Принцип действия магнитоэлектри-ческих механизмов основан на взаимодействии магнитных полей постоянного магнита и катушки (рамки), по которой протекает ток. Конструктивно магнитоэлектрический механизм выполняется либо с подвижной катушкой, либо с подвижным магнитом (рис. 1.7).
Магнитная система измерительного механизма состоит из постоян-ного магнита 1, магнитопровода 2 с полюсными наконечниками,
сердечника 3. Между полюсными наконечниками находится катушка (рамка) 4, по которой протекает ток I. Рамка соединена со стрелкой 6, перемещающейся по шкале 7. При прохождении тока I по рамке, помещенной в равномерное, постоянное магнитное поле с индукцией В, создается вращающий момент М ВР, действующий на подвижную часть магнитоэлектрического механизма:
, (1.3)
где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсными наконечниками; n – число витков рамки; S – активная площадь рамки;
I – сила тока.
|
|
|
Противодействующий момент создается пружинками 5. Из равенства Мвр = Мпр (Mпр = W · φ,где W – удельный противодействующий момент;
φ – угол поворота рамки) можно получить следующее уравнение преобразования магнитоэлектрического измерительного механизма:
, (1.4)
где SI – чувствительность магнитоэлектрического механизма к току.
Магнитоэлектрические механизмы применяются при построении приборов (амперметров и вольтметров) для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока; омметров; гальванометров постоянного тока, используемых в качестве нулевых индикаторов для измерения малых токов и напряжений; баллистических гальванометров, применяемых для измерений малых количеств электричества, а также приборов для измерения в цепях переменного тока:
а) выпрямительных, термоэлектрических и электронных приборов с преобразователями переменного тока в постоянный;
б) осциллографических гальванометров;
в) вибрационных гальванометров, используемых в качестве нулевых индикаторов переменного тока.
Достоинствами магнитоэлектрических приборов являются:
высокая чувствительность;
высокая точность;
малое собственное потребление мощности;
равномерная шкала;
малое влияние внешних магнитных полей.
К недостаткам магнитоэлектрических приборов относятся:
невысокая перегрузочная способность;
сравнительно сложная конструкция;
возможность применения, при отсутствии преобразователей, только в цепях постоянного тока.
|
|
|
Магнитоэлектрические приборы выпускаются вплоть до класса точности 0,05. Одной из основных причин возникновения погрешности в магнитоэлектрических приборах является отклонение температуры от градуировочной (температурная погрешность). При повышении температуры уменьшаются магнитная индукция в рабочем зазоре и удельный противодействующий момент и возрастает электрическое сопротивление обмотки рамки и токоподводов. Для снижения температурной погрешности, обусловленной изменением электрического сопротивления обмотки рамки и растяжек (или пружинок), в магнитоэлектрических приборах применяются различные схемные решения, например включение последовательно с рамкой добавочного сопротивления с малым температурным коэффициентом сопротивления. Подобная схема компенсации позволяет уменьшить температурную погрешность магнитоэлектрических вольтметров до значений, соответствующих классу точности 0,1.
2. Электромагнитные приборы
Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 1.8) или круглой катушкой.
Рис. 1.8. Схема электромагнитного прибора
В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось 4 и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, образуемое катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток.
Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку. Сила притяжения пропорциональна квадрату индукции, создаваемой магнитным полем катушки, следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент
(1.5)
где c 1 – постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сер-дечника) и положения сердечника относительно катушки.
При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М из-меняется пропорционально I 2.
Под действием момента М подвижная часть прибора будет по-ворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом, созданным пружинами. В момент равновесия (при М = M пр)
, (1.6)
где k – постоянная величина.
Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепесткообразная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника. Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.
Электродинамические приборы применяют обычно в качестве точных лабораторных приборов, а также в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии в цепях постоянного тока.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.
|
|
|
3. Индукционные приборы
Индукционный прибор состоит из двух неподвижных электро-магнитов 2 и 3 (рис. 1.9) и подвижного алюминиевого диска 4, укрепленного на одной оси со стрелкой.
Рис. 1.9. Схема индукционного прибора
При прохождении переменных токов I 1 и I 2 по катушкам электро-магнитов создаются два магнитных потока, Ф 1 и Ф 2, которые сдвинуты один относительно другого по фазе и пронизывают диск. Эти потоки при своем изменении индуцируют в диске вихревые токи I в1 и I в2. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитными полями обоих электромагнитов (тока I в1 с потоком Ф 2 и тока I в2 с потоком Ф 1) возникает вращающий момент М, под влиянием которого происходит поворот подвижной части прибора. Противодействующий момент в вольт-метрах, амперметрах и ваттметрах создается спиральной пружиной 1 или растяжками.
Среднее за период значение вращающего момента М пропорцио-нально произведению действующих значений магнитных потоков Ф 1 и Ф 2 и синусу угла сдвига фаз φ между этими потоками:
. (1.7)
Для того чтобы получить наибольшее значение вращающего момента, устанавливают прямой угол сдвига фаз между потоками путем включения в цепи катушек дополнительных активных и реактивных сопротивлений. При этом условии средний вращающий момент в вольтметрах и амперметрах будет пропорционален произведению действующих значений токов I 1 и I 2, протекающих по катушкам электромагнитов. Этой величиной будет определяться также и угол поворота стрелки:
. (1.8)
Индукционные приборы, так же как и электродинамические, могут быть использованы в качестве амперметра, вольтметра, ваттметра, счетчика электрической энергии и в промышленных установках и на электровозах переменного тока.
Достоинством индукционных приборов являются высокая стойкость к перегрузкам, большой вращающий момент и малая чувствительность к внешним магнитным полям. К недостаткам относятся сравнительно невысокая точность и зависимость показаний от частоты переменного тока и температурных влияний.
|
|
|
Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд (рис. 1.10) содержит:
регулируемый источник питания постоянного тока 1, который имеет выключатель 2, выходные клеммы 3 и две ручки 4 регулировки напряжения («Грубо» и «Точно»);
вольтметр 5 и миллиамперметр 6, пределы измерения которых будут изменяться;
мультиметр (тестер) 7;
магазин сопротивлений 8.
Рис. 1.10. Схема лабораторного стенда
Для соединения приборов используется комплект проводов.
При включении вольтметра и амперметра в электрическую цепь необходимо учитывать полярность их выводов (она указана на корпусе около клемм подключения 3). Положительный вывод подключается к точке схемы с бóльшим потенциалом, отрицательный – к точке с меньшим потенциалом.
В данной работе используется следующие режимы измерения мультиметра:
постоянного напряжения – положения переключателя, обозначенные на мультиметре DCV;
постоянного тока – положения переключателя, обозначенные на мультиметре DCA.
Для включения магазина сопротивлений в электрическую цепь используют клемму, обозначенную на мультиметре цифрой 0, и одну из клемм, обозначенных как 0,9 Ω; 9,9 Ω; 99999,9 Ω.
Порядок выполнения работы
1. Записать в табл. 1.3 и 1.4 соответственно:
предел измерения миллиамперметра Im, его внутреннее сопротивление RA, относительную погрешность δ RA и класс точности Λ A;
предел измерения вольтметра Um, его внутреннее сопротивление R v, относительную погрешность δ Rv и класс точности Λ V;
классы точности мультиметра в режиме измерения тока Λ ЭA и режиме измерения напряжения Λ ЭV.
2. Получить у преподавателя указания по значениям новых пределов измерения миллиамперметра Im ′ и вольтметра U ′ m. Записать их в табл. 1.3 и 1.4.
Таблица 1.3
Результаты измерений, выполненных с помощью миллиамперметра
| № | Параметр | Значение |
| 1 | Предел измерения Im,мА | |
| 2 | Внутреннее сопротивление RA, Ом | |
| 3 | Относительная погрешность устройства δ RA, % | |
| 4 | Класс точности Λ A | |
| 5 | Класс точности мультиметра в режиме измерения тока Λ ЭA | |
| 6 | Новый предел измерения миллиамперметра I m′, мА | |
| 7 | Расчетное значение шунта Rш. расч, Ом | |
| 8 | Измеренное значение силы тока I ′ m эксп, мА | |
| 9 | Экспериментальное значение шунта Rш эксп, Ом | |
| 10 | Относительная погрешность расчетного значения сопротивления шунта δ RA расч, % | |
| 11 | Абсолютная погрешность расчетного значения сопротивления шунта Δ Rш. расч,Ом |
Таблица 1.4
Результаты измерений, выполненных с помощью вольтметра
| № | Параметр | Значение |
| 1 | Предел измерения Um,В | |
| 2 | Внутреннее сопротивление RV, Ом | |
| 3 | Относительная погрешность устройства δ RV, % | |
| 4 | Класс точности Λ V | |
| 5 | Класс точности мультиметра в режиме измерения напряжения Λ ЭV | |
| 6 | Новый предел измерения миллиамперметра U ′ m, В | |
| 7 | Расчетное значение добавочного сопротивления Rд расч, Ом | |
| 8 | Измеренное значение напряжения U ′ m эксп, В | |
| 9 | Экспериментальное значение добавочного сопротивления Rд эксп, Ом | |
| 10 | Относительная погрешность расчетного значения добавочного сопротивления δRA расч, % | |
| 11 | Абсолютная погрешность расчетного значения добавочного сопротивления Δ Rд расч, Ом |
3. Рассчитать сопротивление шунта Rш. расч по формуле
,
где n – коэффициент шунтирования, и добавочное сопротивление Rд. расч:
,
где m – коэффициент изменения предела измерения напряжения.
Изменение предела измерения миллиамперметра
1. При помощи соединительных проводов собрать электрическую цепь в соответствии с рис. 1.11.
Рис. 1.11. Схема электрической цепи
для изменения предела измерения миллиамперметра
2. Набрать на магазине сопротивлений 8 (см. рис. 1.10) расчетное значение сопротивления шунта Rш. расч. Выбрать предел измерения тока на мультиметре 7 (положения, обозначенные как DCA) таким образом, чтобы он превышал заданный новый предел измерения I ′ m, но был близок к нему.
3. Установить регуляторы 4 источника питания в нулевое положение, повернув их против часовой стрелки до упора. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.
4. После разрешения преподавателя включить источник питания 1 при помощи вилки к электрической сети и нажать кнопку 2. Постепенно увеличивая напряжение источника (при помощи ручек 4 «Грубо» и «Точно»), установить стрелку миллиамперметра 6 на максимум.
5. Записать силу тока I ′ m эксп, регистрируемую при этом мульти-метром 7.
6. Если значение I ′ m эксп не совпадает с заданным пределом измере-ния I ′ m, необходимо подобрать такое сопротивление шунта Rш. эксп, при котором показания мультиметра будут равны I ′ m. Записать значение Rш. эксп.
7. Выключить источник питания и разобрать электрическую цепь.
Изменение предела измерения вольтметра
1. При помощи соединительных проводов собрать электрическую цепь в соответствии с рис. 1.12.
Рис. 1.12. Схема электрической цепи
для изменения предела измерения миллиамперметра
2. Набрать на магазине сопротивлений расчетное значение до-бавочного сопротивления Rд. расч. Выбрать предел измерения напряжения на мультиметре (положения, обозначенные как DCV) так, чтобы он превышал заданный вам новый предел измерения U ′ m, но был близок к нему.
3. Установить регуляторы источника питания в нулевое положение, повернув их против часовой стрелки до упора. Предъявить собранную схему преподавателю для проверки.
4. После разрешения преподавателя включить источник питания следует, постепенно увеличивая напряжение источника при помощи ручек 4 «Грубо» и «Точно» (см. рис. 1.10), установить стрелку вольтметра 5 на максимум.
5. Записать напряжение U ′ m эксп, регистрируемое при этом мульти-метром.
6. Если значение U ′ m эксп не совпадает с заданным пределом из-мерения U ′ m, необходимо подобрать такое добавочное сопротивле-
ние R д. эксп, при котором показания мультиметра будут равны U ′ m.
7. Записать значение Rд. эксп.
8. Выключить источник питания и разобрать электрическую цепь.
9. Вычислить относительную погрешность расчетного значения со-противления шунта по формуле
где δI ’ m – относительная приборная погрешность измерения силы тока I ′ m эталонным амперметром; δ Im – относительная приборная погрешность измерения силы тока Im миллиамперметром.
10. Вычислить абсолютную погрешность расчетного значения сопро-тивления шунта Δ Rш. расч = Rш. расч ·δ Rш. расч.
11. Сравнить значения Δ R ш. расч и разности Rш. расч – Rш. эксп. Сделать вывод.
12. Вычислить относительную погрешность расчетного значения добавочного сопротивления по формуле
,
где δU ’ m – относительная приборная погрешность измерения напряжения U’m эталонным вольтметром; δUm – относительная приборная погрешность измерения напряжения Um вольтметром.
13. Вычислить абсолютную погрешность расчетного значения доба-вочного сопротивления Δ Rд. расч = R · Rд. расч.
14. Сравнить значения Δ Rд. расч и разности Rд. расч – Rд. эксп. Сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. Назвать принцип действия магнитоэлектрических приборов.
2. Пояснить схему и работу магнитоэлектрических приборов.
3. Перечислить магнитоэлектрические приборы.
4. Назвать достоинства и недостатки магнитоэлектрических при-боров.
5. Назвать принцип действия электромагнитных приборов.
6. Пояснить схему и работу электромагнитных приборов.
7. Перечислить электромагнитные приборы.
8. Назвать достоинства и недостатки электромагнитных приборов.
9. Назвать принцип действия индукционных приборов.
10. Пояснить схему и работу индукционных приборов.
11. Перечислить индукционные приборы.
12. Назвать достоинства и недостатки индукционных приборов.
13. Для каких целей используются шунт и добавочное сопротивление?
14. Вывести формулу для расчета сопротивления шунта. Как меня-ется предел измерения при изменении сопротивления шунта?
15. Вывести формулу для расчета добавочного сопротивления. Как меняется предел измерения при изменении добавочного сопротивления?
