Магнитоэлектрические амперметры

ЛЕКЦИЯ 6.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрических амперметров и вольтметров применяются масштабные преобразователи: для амперметров – шунты, для вольтметров – добавочные сопротивления.

Магнитоэлектрические амперметры.

Основой амперметров является измерительный механизм (ИМ). В микро- и миллиамперметрах, предназначенных для измерения токов (не превосходящих 50 мА), измерительная цепь состоит из рамки и пружин, через которые подводится ток к рамке (сопротивление цепи измерительного механизма R _А = R _р + 2 R _пруж).

Значение тока полного отклонения ограничено влиянием его теплового действия на упругие свойства спиральных противодействующих пружинок.

Если измеряемый ток I превышает по значению ток полного отклонения I _А подвижной части, то параллельно цепи измерительного механизма И подключается шунт (резистор, через который пропускается ток I _ш = I – I _А (рис. 6.1, а). Сопротивление шунта R _ш определяется из условия

I _А R _А = I _ш R _ш = I [ R _А R _ш / (R _А + R _ш)] = const.

Если шунт рассматривать как делитель тока с коэффициентом деления n= I / I _А,то его сопротивление

R _ш = R _А/ (n – 1).

Обычно R _ш = 10^-2 – 10^-4 Ом.

В двухпредельном амперметре (рис.6.2), если принять I ₁< I ₂, сопротивления шунта для пределов I ₁и I ₂ соответственно равны:

R _ш1 = R ₁ + R ₂ = R _А/(n ₁ – 1); R _ш2 = (R ₁ + R _А)/(n ₂ – 1), (6.1)

где n ₁ = I ₁ / I _А; n ₂ = I ₂ / I _А – коэффициенты шунтирования.

Совместно решая (6.1), можно определить сопротивления шунтов:

.

Аналогично можно рассчитать сопротивления для многопредельного ступенчатого шунта.

Шунты бывают внутренние и наружные. Внутренние шунты изготовляют на токи примерно до 50 А, наружные – на токи до 10 к А.

В целях стандартизации, наружные шунты выпускаются на различные номинальные падения напряжения (от 45 до 300 м В) и классов точности от 0.02 до 0.5.

Магнитоэлектрический измерительный механизм с включенным последовательно добавочным резистором (рис.6.1, б) можно использовать как вольтметр для измерения напряжения. Его подключают параллельно к объекту измерения. В измерительной цепи вольтметра измеряемое напряжение преобразуется в ток, необходимый для отклонения подвижной части ИМ.

Предел измерения U_V вольтметра зависит от тока полного отклонения I_V подвижной части и внутреннего сопротивления R_V вольтметра (суммы сопротивлений обмотки рамки R_р и пружин 2 R _пруж):

U_V = I_VR_V; R_V = R_р + 2 R _пруж.

Ток полного отклонения I_V рамки магнитоэлектрических вольтметров составляет примерно 50 м А.

Для изменения предела измерения напряжения U_V до U последовательно с вольтметром включается добавочный резистор, сопротивление R _д которого при заданном значении I_V определяется из выражений:

U_V /R_V = U/(R_V+R _д ) = I_V = const; U = U_V + U _д;

R _д = R_V [(U/U_V) –1] = R_V (n – 1),

где n=U/U_V – коэффициент расширения предела измерения вольтметра (множитель шкалы).

В многопредельных вольтметрах (рис.6.3) используют ступенчатое включение резисторов и для соответствующих пределов измерения напряжений U ₁, U ₂, U ₃ при заданном токе рамки I_V сопротивления добавочных резисторов рассчитывают по формулам:

R _1д = R_V (n ₁ – 1), или R _1д = (U ₁ /I_V) – R_V;

R _2д = R_V (n ₂ – 1) – R _1д, или R _2д = (U ₂ – U ₁)/ I_V, и т.д..

где n ₁ = U ₁ /U_V; n ₂ = U ₂ /U_V – коэффициенты расширения пределов.

Добавочные резисторы могут быть внутренними (до 600 В) и наружными (до 1500 В). Наружные добавочные сопротивления выпускаются на определенные номинальные токи (от 0.5 до 30 м А) и имеют классы точности от 0.02 до 1.

Шунты и добавочные сопротивления изготавливаются из материалов с высоким удельным сопротивлением (манганин, константан), имеющих температурный коэффициент сопротивления, близкий к нулю.

Комбинированные аналоговые измерительные приборы (выпрямительные приборы).

Комбинированный аналоговый измерительный прибор – ампервольтомметр (авометр) – является универсальным многопредельным прибором, с помощью которого возможны измерения токов, напряжений в цепях постоянного и переменного токов частотой от 20 Гц до 20 кГц и выше, сопротивлений постоянному току и емкостей. В авометре используют магнитоэлектрический ИМ, который может при помощи переключающего устройства соединяться с различными измерительными цепями.

Принцип работы таких приборов заключается в выпрямлении переменного тока с помощью полупроводниковых диодов (см. рис. 6.4). Постоянная составляющая выпрямленного тока измеряется прибором магнитоэлектрической системы (микроамперметром, миллиамперметром). В схеме прибора используют одно- и двухполупериодные выпрямители.

В однополупериодных схемах (рис. 6.4, а) ток i через магнитоэлектрический прибор, включенный последовательно с диодом VD 1, пропускается только в положительный полупериод. В отрицательный полупериод, для которого сопротивление диода VD 1 велико, ток протекает через диод VD 2, включенный параллельно прибору. Диод VD 2 защищает диод VD 1 от пробоя. Для уравнивания сопротивления параллельных ветвей последовательно со вторым диодом включен резистор R, сопротивление которого равно сопротивлению измерительной цепи прибора. Подвижная часть магнитоэлектрического прибора обладает механической инерцией и при частотах выше 10…20 Гц не успевает следить за мгновенными значениями вращающего момента, реагируя только на среднее значение момента. Из уравнения шкалы магнитоэлектрического прибора a = следует, что отклонение стрелки выпрямительного прибора пропорционально среднему за период значению переменного тока. Для однополупериодного выпрямления при токе синусоидальной формы

и показания прибора

a = S_I I _ср. (6.2)

В двухполупериодных схемах выпрямления (рис. 6.4, б) ток i, протекающий через прибор, увеличивается вдвое по сравнению с током, протекающим в схеме рис. 6.4, а. Для синусоидального тока

I _ср.в= 0.636 I_m.

Из (6.2) видно, что шкала выпрямительного прибора линейна и при любой форме кривой измеряемого тока отклонение стрелки прибора пропорционально среднему за период значению. Однако на практике шкалу выпрямительных приборов всегда градуируют в средних квадратических значениях напряжения (тока) синусоидальной формы, поэтому средневыпрямленное значение тока , протекающего через прибор, можно выразить через среднеквадратическое значение I измеряемого тока и коэффициент формы для синусоиды К_Ф:

Здесь К_Ф =

Тогда I = 2.2 I_А.

При двухполупериодной схеме

I = 1.1 I_А.

Следовательно, в выпрямительных приборах все значения оцифрованных делений шкалы как бы умножены на коэффициент формы К_ф= 1.11. Отсюда следует, что при измерении тока или напряжения несинусоидальной формы полученный отсчет по шкале такого выпрямительного прибора сначала нужно разделить на 1.11 (получить выпрямленное значение измеряемой величины), а затем умножить на коэффициент формы, соответствующий форме реального сигнала. В приборах с однополупериодным выпрямлением вместо 1.11 подставляют 2.22 (2К_ф).

Выпрямительные приборы имеют классы точности 1.5 и 2.5 с пределами измерения по току от 2 м А до 600 А, по напряжению – от 0.3 до 600 В.

Достоинствами выпрямительных приборов является высокая чувствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется возможностями применяемых диодов. Так, применение точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений до частот порядка 10⁴…10⁵ Гц. Основными источниками погрешностей этих приборов являются изменения параметров диодов с течением времени, влияние окружающей температуры, а также отклонение формы кривой измеряемого тока или напряжения от той, при которой произведена градуировка прибора.

Электромагнитный измерительный механизм.

Состоит из неподвижной катушки с обмоткой, в которую подается измеряемый ток, и сердечника на оси из магнитного материала (табл.5.1, б).

Сердечник втягивается в магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Обмотка неподвижной катушки, в отличие от предыдущего, может быть выполнена из более толстого провода. Поэтому электромагнитные приборы обладают большей перегрузочной способностью.

Зависимость угла поворота от квадрата тока (см. формулы на схеме)

a =

указывает на возможность измерения переменного и постоянного токов, а также на квадратичный характер шкалы. Однако, на практике шкалу прибора можно приблизить к линейной подбором конфигурации сердечника.

Таким образом, электромагнитные приборы измеряют среднеквадратическое (действующее) значениетока. Это относится и к другим видам приборов с квадратичной функцией преобразования.

Достоинства приборов электромагнитной системы:

Простота конструкции, хорошая перегрузочная способность и одинаковая пригодность для измерений в цепях постоянного и переменного токов, а также отсутствие токоподводов к подвижной части, низкая трудоемкость в изготовлении и низкая стоимость используемых материалов и, следовательно, пониженная цена по сравнению с другими приборами, имеющими равные метрологические свойства.

Недостатки: большое собственное потребление энергии (собственное сопротивление вольтметров составляет 100 ¸ 2000 Ом), невысокая точность (классы точности 1.0; 1.5; 2.5), малая чувствительность, влияние внешних магнитных полей.

Электромагнитные приборы применяют преимущественно в качестве щитовых амперметров и вольтметров в цепях переменного тока промышленной частоты. Классы точности щитовых приборов 1.5 и 2.5. Промышленностью выпускаются амперметры с верхним пределом измерения от долей ампера до 200 А, и вольтметры с пределами измерения от долей вольта до сотен вольт.

Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0.5 и 1.0 для измерения в лабораторных условиях.

Электромагнитные амперметры и вольтметры.

Диапазон измерения токов весьма широк. Для стационарных измерений используют однопредельные амперметры, для переносных – многопредельные.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров нерационально, т.к. приводит к увеличению мощности потребления приборами, громоздкости и дороговизне.

Пределы измерения амперметров расширяют с помощью измерительных трансформаторов тока (ТТ) (рис.6.5,а).

Первичная обмотка ТТ с меньшим числом витков включается последовательно в цепь измеряемого тока I ₁, а к зажимам вторичной обмотки с большим числом витков подсоединяется амперметр А. Измеряемый ток определяют посредством умножения показаний амперметра на номинальный коэффициент трансформации тока К_Iном, т.е.

I _X = I ₁ = I ₂K_Iном.

[Нормальным режимом для ТТ является режим к.з. При размыкании вторичной цепи ТТ резко повышается напряжение на вторичной обмотке от единиц вольт до нескольких кВ, что опасно и может привести к перегреву сердечника и пробою изоляции. Во избежание размыкания предусмотрен ключ В.]

Лабораторные измерительные трансформаторы тока изготовляются на номинальные напряжения 0.5 – 35 к В; номинальные первичные токи 0.1 – 25000 А; номинальные вторичные токи 5 А и 1 А. Классы точности ТТ 0.05, 0.1, 0.2, 0.5.

Измерительная цепь электромагнитного вольтметра представляет собой последовательное соединение неподвижной катушки и добавочного резистора. Добавочные резисторы применяют в многопредельных вольтметрах с наибольшим пределом измерения 600 В.

Для расширения пределов измерения электромагнитного вольтметра применяют измерительные трансформаторы напряжения ТН (рис.6.5,б).

Первичную обмотку ТН с большим числом витков подключают параллельно участку цепи, на котором измеряется напряжение U ₁, вторичную обмотку с напряжением U ₂ и малым числом витков соединяют с вольтметром.

Вторичная обмотка замкнута на большое сопротивление, вследствие чего токи в обмотках малы и ТН работает в условиях, близких к х.х.

Измеряемое напряжение определяют посредством умножения показаний вольтметра на номинальный коэффициент трансформации К_Uном, т.е.

U _X = U ₁ = U ₂K_Uном.

Классы точности ТН 0.05, 0.1, 0.2, 0.5.

Расширение пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров сопряжено с увеличением погрешности измерения.