Системы измерительных приборов

В зависимости от того, какое физическое явление положено в основу действия прибора, различают системы магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, электростатическую, тепловую, термоэлектрическую, индукционную, детекторную, вибрационную, электронную.

6.1 Приборы магнитоэлектрической системы

Приборы магнитоэлектрической системы предназначены для измерения тока и напряжения в цепях постоянного тока. Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки (рамки), движущейся между полюсами магнита (рис. 11.1).

Рамка с несколькими витками провода (рис. 11.1, а, б) крепится на оси. Рамка находится в магнитном поле постоянного магнита. Магнитное поле действует на проводник с током с силой Ампера

,

где – сила тока, которая должна быть измерена;

– длина активной части проводника;

– магнитная индукция.

Стороны рамки 2 и 4 расположены вдоль вектора (рис. 11.1, а), а стороны 1 и 3 перпендикулярны. Тогда , и эта сила создает вращающий момент , модуль которого равен

,

где – угол между плоскостью рамки и вектором (рис. 11.1, б).

Учитывая, что у рамки две активные стороны (2 и 4) и у каждой по n проводов, получаем

,

где – площадь поперечного сечения рамки.

Для однородного поля () угол равен углу поворота рамки (рис. 1.1, б).

В магнитоэлектрических приборах внутри рамки помещают железный якорь, чтобы увеличить магнитный поток через рамку. Рамка поворачивается в узком зазоре между полюсами и якорем (рис. 11.1, в: 1 – каркас рамки и рамка, 2 – железный магнитопровод, 3 - постоянный магнит).

Под действием момента рамка поворачивается на угол (рис. 11.1, г). Дальнейшему вращению препятствует сила упругости закрученной пружины, создающая противодействующий момент, который при малых углах поворота, пропорционален ему: . Рамка останавливается, когда , т. е. , (здесь cos α 1).

Эта формула называется уравнением шкалы. Из нее следует, что угол поворота рамки пропорционален силе тока в первой степени.

Чувствительность магнитоэлектрических приборов может быть очень большой, так как индукция магнитного поля велика (для гальванометров – до 10⁸ рад/А). При изменении направления тока, изменяет свой знак, т.е. рамка поворачивается в обратную сторону. Поэтому прибор пригоден только для измерения в цепях постоянного тока. При переменном токе, частотой в несколько герц, стрелка не будет успевать колебаться и останется в нулевом положении. Для работы в цепях переменного тока в прибор может быть встроен выпрямляющий вентиль (детектор).

Достоинством приборов магнитоэлектрической системы являются: высокая точность (класс точности до 0, 05), высокая чувствительность, малое собственное потребление мощности, равномерность шкалы, малая чувствительность к внешним полям и температуре.

Недостатки приборов: пригодность для измерений только постоянного тока (если без дополнительных приспособлений), чувствительность к перегрузкам, относительная сложность конструкции и, следовательно, сравнительно высокая стоимость приборов.

6.2 Приборы электромагнитной системы

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения тока и напряжения в цепях постоянного и переменного токов.

Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля измеряемого тока с подвижным ферромагнитным сердечником. Железный сердечник втягивается в катушку электромагнита при пропускании по ней тока. Такая конструкция прибора называется «с плоской катушкой» (рис. 11.2).

В амперметрах используется катушка с небольшим числом витков толстого провода, в вольтметрах – катушка с большим числом витков тонкого провода.

Уравнение шкалы и формулу для чувствительности прибора можно получить следующим образом. Из формулы работы для поворота тела вокруг оси ( – вращающий момент) следует

,

где – изменение магнитной энергии при повороте на угол .

Магнитная энергия катушки индуктивности равна

где – индуктивность катушки;

– сила тока.

Тогда . Противодействующий момент создается пружиной. При пропускании тока подвижная часть со стрелкой поворачивается и устанавливается в положение, при котором , т.е.

При , угол поворота стрелки пропорционален , т.е. шкала у прибора должна быть квадратичной. Это означает, во-первых, что деления шкалы неодинаковы: при больших токах – крупнее, при малых – настолько мелкие, что отсчет начинается только с некоторого значения силы тока. Во-вторых, прибор не реагирует на направление тока, давая отклонение всегда в одну сторону. Поэтому им можно измерять как переменный, так и постоянный токи.

Чувствительность прибора зависит от силы тока . Размер деления на шкале тем больше, чем больше . Но если воспользоваться зависимостью чувствительности от множителя , то можно подобрать сердечник такой формы, что шкала станет более равномерной или деления для переменного тока промышленной частоты (50 Гц) будут приблизительно совпадать с делениями для постоянного тока.

Достоинства прибора: простота конструкции и надежность в эксплуатации, относительная дешевизна (они на 30-40% дешевле магнитоэлектрических приборов), высокая устойчивость в отношении перегрузок, малое влияние изменений температуры окружающей среды на точность их показаний, пригодность для измерения обоих родов тока и напряжения, значительно меньше бояться перегрузок током.

Недостатки приборов: относительно низкая точность (1-2, 5% от измеряемой величины), чувствительность к внешним магнитным полям, непригодность для измерения малых токов и низких напряжений, неравномерность шкалы.

6.3 Приборы электродинамической системы

Приборы электродинамической системы предназначены для измерения тока, напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного токов.

В электродинамических приборах используются две катушки. Одна (неподвижная) создает магнитное поле, другая вращается на оси, приводя в движение стрелку (рис. 1.3). Как в случае прибора магнитоэлектрической системы, вращающий момент равен

где – сила тока в подвижной катушке 1 (рис. 11.3);

n – число витков;

– площадь поперечного сечения катушки 1;

– угол между плоскостью подвижной катушки и вектором магнитной индукции .

Магнитное поле создается неподвижной катушкой 2, для которой

где – число витков;

– сила тока в катушке 2;

– коэффициент, зависящий от формы катушки.

Поэтому . Остальные величины зависят от конструкции прибора. Из условия , где – жесткость пружины, получаем для шкалы

.

При приближении к нулю, угол поворота оказывается пропорциональным произведению токов , шкала прибора – квадратичная.

Достоинства приборов: большая точность (нет ферромагнитных деталей), способность измерения как постоянных, так и переменных токов.

Недостатки приборов: потребляют много энергии, подвержены влиянию магнитного поля, боятся механических ударов и перегрузок током, неравномерность шкалы, высокая стоимость.

Поэтому в качестве амперметра и вольтметра прибор применяется редко, только как контрольно-измерительный. При раздельном включении катушек на основе этого прибора созданы ваттметры, фазометры.

6.4 Приборы тепловой и термоэлектрической систем

В тепловых приборах используется явление выделения теплоты в проводнике, по которому идет ток. При нагревании проволочки – основной части теплового прибора – изменяется ее длина (рис. 11.4, а). Можно измерить температуру проволочки с помощью термопары. Термопара должна находиться в тепловом контакте с проволочкой, но электрически не обязательно с ней соединена (рис. 11.4, б, в).

Э.д.с. термопары измеряется микровольтметром. Такой прибор называют термоэлектрическим.

Ценным качеством таких приборов является совпадение шкалы для переменного тока любой частоты, вплоть до 10⁸ Гц, со шкалой для постоянного тока, так как на условии совпадения теплового действия основано определение эффективных значений тока и напряжения.

Поскольку выделяющая мощность пропорциональна , шкала получается квадратичной.

Достоинства приборов: независимость показаний от частоты, формы измеряемой величины и внешних магнитных полей, пригодность для постоянного и переменного токов, большая чувствительность и малое потребление энергии.

Недостатки приборов: большая чувствительность к перегрузкам, высокая стоимость.

Входное сопротивление тепловых приборов невелико, поэтому они больше подходят к работе в качестве амперметров, чем вольтметров.

6.5 Приборы индукционной системы

Электроизмерительные приборы индукционной системы предназначаются для измерения электрических величин только в цепях переменного тока. Причем, они могут быть применены в цепях с одной определенной частотой, и незначительное изменение этой частоты влечет за собой больше погрешности. Вследствие указанной причины амперметры и вольтметры указанной системы не применяются. Широкое применение индукционная система получила в счетчиках электрической энергии переменного тока.

Индукционные приборы состоят из одной или двух неподвижных катушек и алюминиевой пластинки. При прохождении по катушкам переменного тока в пластинке наводятся индукционные токи, взаимодействие которых с магнитным полем катушек приводит к смещению пластинки. На этом принципе работает счетчик электроэнергии. Горизонтально расположенный алюминиевый диск помещен между полюсами двух электромагнитов (рис. 11.5). Если по обеим катушкам идут переменные токи, то диск приходит во вращение. Одна обмотка обладает большим индуктивным сопротивлением, поэтому магнитный поток, создаваемый ею, отстает от напряжения по фазе на 90^°. Причем, магнитный поток постепенно смещается вдоль окружности алюминиевого диска и увлекает за собой диск. Скорость вращения диска пропорциональна (где – сила тока, – напряжение, - сдвиг фаз между током и напряжением), т.е. – активной мощности переменного тока. Умножив на время, получим, что полное число оборотов диска пропорционально электроэнергии.

Достоинства приборов: большой вращающий момент, стойкость к перегрузкам, малое влияние внешних полей, надежность в работе.

Недостатки приборов: малая точность, пригодность только для переменного тока, неравномерность шкалы, зависимость показаний от температуры, частоты и формы измеряемой величины.

6.6 Приборы электростатической системы

Приборы электростатической системы основаны на явлении электростатического взаимодействия между заряженными телами. Поэтому отклонение подвижной части в этих приборах зависит не от величины тока, проходящего через них, а от одного лишь напряжения, приложенного к ним. Поэтому из них изготавливают учебные электроскопы и электрометры, а также промышленные электрометры для измерения высоких напряжений. На рисунке 11.6 изображены: электроскоп (рис. 11.6, а), демонстрационный электрометр (рис. 11.6, б), измерительный электрометр (рис. 11.6, в). Измерительный электрометр состоит из легкой алюминиевой пластинки 1, втягивающейся в неподвижный квадрат 3. Пластинка закреплена на растяжке 2 в виде тонкой ленточки, на которой укреплено зеркало 4. Противодействующий момент обеспечивается растяжкой, а прекращение колебаний – магнитоиндукционным демпфером 5.

Электростатические приборы обладают следующими свойствами: не потребляют (при измерении постоянного напряжения) и очень мало потребляют (при измерении переменного напряжения) мощность; способны измерять высокие переменные напряжения без высоковольтных трансформаторов (экономический эффект).

Уравнение шкалы найдем из условия

, ( – изменение энергии электрического поля),

, ( – электроемкость конденсатора).

Момент силы . Из условия следует, что , т.е. прибор имеет квадратичную шкалу. Так как показания прибора не зависят от знака , то он пригоден и для постоянного, и для переменного тока.

Достоинства приборов: малое потребление энергии, имея практически бесконечно большое сопротивление, совсем не потребляют тока, независимость от частоты (одинаково хорошо работают на любых частотах – до нескольких мегагерц), температуры и внешнего магнитного поля.

Недостатки приборов: зависимость от внешнего электрического поля, от влажности воздуха.

6.7 Приборы вибрационной системы

Работа приборов вибрационной системы основана на явлении резонанса при совпадении частот собственных колебаний подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой системы применяются, в основном, для измерения частоты переменного тока.

Достоинства приборов: простота конструкции и надежность в работе, возможность включения прибора в цепи с различным напряжением.

Недостатки приборов: вибрация пластинки от внешних толчков, прерывистость шкалы, вследствие чего затруднен отсчет при промежуточной частоте.

6.8 Приборы электронной системы

Работа приборов электронной системы основана на применении электронных ламп или транзисторов в измерительных схемах.

Выпускают следующие приборы электронной системы: электронные вольтметры, частотомеры, измерительные генераторы, потенциометры, приборы для измерения сопротивления, емкости, индуктивности, нулевые индикаторы, фазометры, ваттметры.

Достоинства приборов: быстродействие, высокие точность и чувствительность, равномерная шкала, малое потребление энергии. Быстродействие обусловлено малой массой электронов, что позволяет намного повысить их скорость за очень малые промежутки времени.

Недостатки: сложность проведения измерений, частая градуировка (для некоторых приборов).