Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Ферродинамическиеизмерительные приборы
|
|
В основе ферродинамических приборов лежит ферродинамический измерительный механизм. Принцип действия ферродинамического измерительного механизма заключается во взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с токами, и по существу является разновидностью электродинамического механизма. Отличие заключается в том, что для увеличения чувствительности ИМ содержит магнитопровод из магнитно-мягкого материала. Наличие магнитопровода значительно увеличивает магнитное поле в рабочем зазоре и при этом возрастает вращающий момент.
В общем случае ИМ механизм включает в себя неподвижную катушку (катушку возбуждения), подвижную часть и магнитопровод. На рис. 14 пока-зан один из вариантов конструктивного исполнения ферродинамического
|
|
Рис. 14
ИМ. Магнитная цепь по устройству близка к магнитной цепи магнитоэлектрического ИМ, в котором постоянный магнит заменен электромагнитом. Вращающий момент ферродинамического ИМ возникает в результате взаимодействия подвижной катушки 1 с током и потока, создаваемого неподвижной катушкой 2. Подвижная часть соединяется с указателем 4. При протекании тока I1 по неподвижной катушке и работе на линейном участке кривой намагничивания материала магнитопровода 3 индукцию в рабочем зазоре можно найти как
В = К1I1, (11)
где К1 – коэффициент, зависящий от конструктивного исполнения ИМ.
Учитывая, что подвижная часть будет реагировать, вследствие своей инерционности, на среднее значение вращающего момента можно написать
Мвр= К1S2n2I1I2сos(I1, I2), (12)
где S2, n2 и I2 - площадь, число витков и ток подвижной катушки; I1 и I2 - действующие значения токов в неподвижной и подвижной катушке; cos(I1, I2) – косинус угла между векторами токов I1 и I2.
Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для статического равновесия
α = КI1I2сos(I1, I2), (13)
α – угол отклонения подвижной части; К = К1S2n2.
Погрешности ферродинамических приборов. Основными погрешностями ферродинамических приборов являются: температурная и частотная погрешности, погрешность от нелинейности кривой намагничивания, погрешность от электромагнитного взаимодействия.
Для ферродинамических, так же как и для электродинамических приборов, наиболее характерными являются ваттметры. Поэтому погрешности и методы их компенсации рассмотрим на примере однофазного ферродинамического ваттметра.
Температурная погрешность возникает вследствие изменения сопротивления катушек, упругих свойств пружинок или растяжек и изменение характеристик материала магнитопровода. Уменьшение этой погрешности достигается различными схемными решениями, например, применением последовательно-параллельных схем компенсации температурной погрешности.
Частотная (угловая) погрешность возникает вследствие различия фазовых соотношений в приборе и измерительной цепи. Для компенсации частотной погрешности применяются, как и для температурной погрешности, различные компенсационные схемы, например схема с включением конденсатора в параллельную цепь ваттметра (рис. 15).
Рис. 15
Вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе, обмотке и расположенных вблизи катушки возбуждения металлических деталях магнитный поток катушек отстает по фазе от намагничивающего тока на угол ε. Угловая погрешность γ δ = 0, если емкостное сопротивление ХС будет
. (14)
Для определения значения емкости конденсатора необходимо знать tge (угол), который чаще всего определяют экспериментально.
Погрешность от нелинейности кривой намагничивания проявляется в тех случаях, когда напряжение сети или коэффициент мощности отличаются от значений, при которых производилась градуировка прибора. Так как кривая намагничивания ферромагнитного материала магнитопровода нелинейная, возникает непропорциональность между током, проходящим по неподвижной катушке, и создаваемым им магнитным потоком. Эта непропорциональность приводит к появлению погрешности прибора. Снизить погрешность от нелинейности кривой намагничивания можно выбором рабочего участка кривой намагничивания материала магнитопровода.
Погрешность электромагнитного взаимодействия обусловлена асимметрией воздушного зазора. При прохождении тока по подвижной катушке и разомкнутой цепи неподвижной, подвижная катушка из-за электромагнитного взаимодействия отклоняется от нулевого положения. Погрешность от асимметрии обычно не превышает десятых долей процента, уменьшить ее можно только тщательной регулировкой измерительного механизма в процессе сборки.
Области применения. Ферродинамические измерительные механизмы применяются в амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, частотомерах и фазометрах. По сравнению с аналогичными приборами других систем они обеспечивают большой вращающий момент при сравнительно малых габаритах, что требуется, например, в самопишущих приборах или в приборах, предназначенных для работы в условиях тряски и вибрации, когда необходим большой коэффициент добротности.
Вследствие нелинейности кривой намагничивания, наличия гистерезиса и других явлений, присущих магнитным материалам, возрастают основная и некоторые дополнительные погрешности. Поэтому ферродинамические приборы, как правило, выпускают не выше класса точности 0, 5 и только в редких случаях - класса точности 0, 2. Рабочая частота для ферродинамических приборов обычно 50 или 400 Гц. Допустимые отклонения значения частоты, при которых прибор остается в указанном классе точности, составляют не более 10 — 20% от ее номинального значения.
Ферродинамическим ИМ свойственны также хорошая защита от влияния внешних магнитных полей, возможность использования магнитоиндукционного успокоения без применения специальных мер защиты от влияния поля магнита успокоителя (что требуется для электродинамических приборов) и некоторые другие особенности.
Наличие сердечника в ферродинамических приборах приводит к значительному увеличению вращающего момента по сравнению с электродинамическими приборами, что позволяет применять ферродинамические приборы в условиях тряски, вибраций и ударов, а также в самопишущих приборах. Эти особенности ферродинамических приборов обусловили широкое их применение на борту летательных аппаратов, где они используются для измерения токов, напряжений, мощности и частоты в сетях переменного тока частотой 400 Гц.
Эти приборы отличаются небольшими габаритами и достаточно малой массой. Примерами таких приборов могут служить самолетные ферродинамические вольтметры ВФ-150 и ВФ-250 (номинальные напряжения равны соответственно 150 и 250 В), ферродинамические амперметры АФ-25, АФ-50 и АФ-150, рассчитанные на применение с трансформаторами тока ТФ 50/1, ферродинамические ваттметры ВТФ-15 и варметры ВРФ-15.
Измерение частоты в самолетной сети переменного тока осуществляется при помощи ферродинамического частотомера типа ГФ, выполненного по схеме логометра. Точность самолетных ферродинамических приборов невысока и обычно не превышает 2 %.
Самолетные ферродинамические приборы находятся в стандартном корпусе, достаточно надежны в работе и являются основным типом приборов, используемых в самолетных цепях переменного тока 400 Гц, что объясняется следующими их достоинствами:
- малой подверженностью влиянию внешних магнитных полей;
- достаточной для практических целей точностью измерения;
- простотой конструкции;
- возможностью измерения различных как электрических, так и неэлектрических величин;
- устойчивостью по отношению к тряске, ударам, вибрации и перегрузкам.
Недостатками ферродинамических приборов являются:
- значительное собственное потребление энергии (до 15 Вт);
- неравномерность шкалы;
- зависимость точности измерений от частоты.
Электродинамические приборы с более высокой точностью по сравнению с ферродинамическими приборами, на самолете не используются, так как обладают малой чувствительностью и в сильной степени подвержены влиянию таких факторов, как перегрузка, тряска, удары, внешние магнитные поля, но находят широкое применение при лабораторных исследованиях самолетного электрооборудования.
4.8.Электростатические измерительные приборы
Принцип работы электростатических измерительных приборов основан на взаимодействии электрически заряженных электродов, разделенных диэлектриком. Конструктивно электростатические приборы представляют собой разновидность плоского конденсатора, так как в результате перемещения подвижной части изменяется емкость системы. Практическое применение нашли приборы с поверхностным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения активной площади электродов) и с линейным механизмом (изменение емкости осуществляется за счет изменения расстояния между электродами).
На рис. 16 представлен прибор с поверхностным ИМ. Он состоит из неподвижных 1 и подвижных 2 алюминиевых электродов, укрепленных на оси. Измеряемое напряжение U, приложенное к неподвижным и подвижным электродам, создает между ними электростатическое поле, энергия которого Wэ = CU2/2, где С — емкость между электродами.
| Рис. 16. Устройство электростатического ИМ |
Электростатические силы взаимодействия заряженных электродов создают вращающий момент, под действием которого подвижные электроды втягиваются в пространство между неподвижными и изменяют активную площадь электродов, т. е. изменяютемкость С:
Подвижные электроды втягиваются до тех пор, пока вращающий момент не станет равен противодействующему моменту. Из условия равенства моментов следует, что
Шкала прибора квадратичная, поэтому изменение полярности приложенного напряжения не изменяет направления вращения. При приложенном переменном напряжении прибор реагирует на среднее значение момента за период
где u(t) = Um sin ω t — мгновенное значение переменного напряжения; U — среднеквадратическое значение напряжения.
Достоинства электростатических приборов — высокое входное сопротивление; малая, но переменная входная емкость; малая мощность потребления; возможность использования в цепи как постоянного, так и переменного токов; широкий частотный диапазон; независимость показаний от формы кривой измеряемого напряжения. Показания прибора соответствуют среднеквадратическому значению измеряемого напряжения.
Недостатки — квадратичная шкала; малая чувствительность из-за слабого собственного электрического поля; невысокая точность; возможность пробоя между электродами; необходимость экрана.
Электростатические вольтметры применяют для измерения в цепях с маломощными источниками и при лабораторных исследованиях в цепях высокого напряжения. В совокупности с электронными усилителями их используют как высокочувствительные электрометры и вольтметры переменного тока.
Погрешности. Основная погрешность электростатических приборов складывается из погрешности отсчета, от упругого последствия растяжек, от изменения частоты и температуры, погрешности от контактной разности потенциалов, термоЭДС, поляризации диэлектриков и др.
При перемене полярности измеряемого постоянного напряжения или при переходе с постоянного тока на переменный контактная разность потенциалов Uк, вызывает погрешность
, (16)
где Uном - номинальное значение измеряемого напряжения.
Для снижения UK до уровня 20 — 50 мВ применяется специальная технология обработки поверхности электродов.
Погрешность от термоЭДС появляется в результате применения разнородных проводниковых материалов в измерительной цепи и наличия перепада температур в объеме ИМ. Значение этой погрешности определяется аналогично погрешности от контактной разности потенциалов.
Погрешность от поляризации диэлектрика возникает при подаче напряжения между электродами и обусловливает появление обратной ЭДС в измерительной цепи. Для снижения влияния поляризации диэлектрика применяют изоляционный материал с малым значением диэлектрической проницаемости, а также экранируют диэлектрик от подвижного электрода путем металлизации свободной поверхности, обращенной к подвижному электроду. Металлическое покрытие диэлектрика электрически соединяют с подвижной частью.
Частотная погрешность γ f (в номинальной области частот) возникает из-за зависимости активного сопротивления проводов и растяжек от частоты, наличия собственной емкости прибора и индуктивности проводов
, (17)
где f - частота измеряемого напряжения; f0 - резонансная частота цепи прибора (в пределах 30—100 МГц); C – собственная емкость прибора; R - сопротивление проводов и растяжек.
В приборах с защитным сопротивлением RЗ при работе на высоких частотах появляется дополнительная погрешность за счет емкостного тока
. (18)
Возрастание этой погрешности с увеличением частоты ограничивает применение защитного сопротивления до частот порядка 300 кГц.
Погрешность, обусловленная влиянием внешних электростатических полей, уменьшается экранированием прибора. Экран соединяют с одним из зажимов прибора и заземляют.
Температурная погрешность электростатического прибора вызывается изменениями упругости материала растяжек и емкости ИМ с изменением температуры:
(19)
где β W - термоупругий коэффициент растяжек; β с - температурный коэффициент изменения емкости ИМ.
В приборах класса точности выше 0, 5 для компенсации температурной погрешности используются различные конструктивные меры, например, крепление растяжек на термобиметаллических пластинах.
Области применения. Электростатические приборы характеризуются: 1) весьма малым собственным потреблением мощности на постоянном токе и низких частотах. Это, объясняется тем, что оно обусловлено только кратковременным зарядным током и протеканием весьма малых токов утечки через изоляцию. На переменном токе потребление мощности также невелико ввиду малой емкости ИМ и малых диэлектрических потерь в изоляции;
2) широким частотным диапазоном (от 20 Гц до 35 МГц);
3) малой зависимостью показаний от изменений формы кривой измеряемого напряжения;
4) возможностью использования их в цепях постоянного и переменного токов для непосредственного измерения высоких напряжений (до 300 кВ) без применения измерительных трансформаторов напряжения. Наряду с этим электростатические приборы имеют и недостатки: они подвержены сильному влиянию внешних электростатических полей, обладают низкой чувствительностью к напряжению, имеют неравномерную шкалу, которую необходимо выравнивать за счет выбора формы электродов, и др.
Точность электростатических приборов можно получить высокой за счет применения специальных конструктивно-технологических мероприятий по снижению погрешностей. В настоящее время разработаны переносные приборы классов точности 0, 2; 0, 1 и 0, 05.
Эти приборы используют главным образом для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного токов. Выпускаются щитовые вольтметры на напряжения от 30 В до 15 кВ классов точности 1, 0 и 1, 5 с частотным диапазоном от 20 Гц до 3 МГц. Переносные вольтметры классов точности 0, 5; 1, 0 и 1, 5 выпускаются на напряжения от 10 В до 3 кВ с частотным диапазоном до 35 МГц. МГц. Вольтметры самой высокой точности (классов 0, 05 и 0, 1) имеют пределы измерения 50, 150 и 300 В и частотный диапазон от 20 Гц до 500 кГц. Выпускаются высоковольтные приборы на напряжения от 7, 5 до 300 кВ.
Кроме измерения напряжения электростатические приборы используют для измерения других электрических величин (мощности, сопротивления, индуктивности и т. п.). Измерительные механизмы электростатической системы применяют также во многих специальных приборах (автокомпенсаторах, компараторах, высокочувствительных электрометрах и др.).
Принципиальные схемы электростатических приборов показаны на рис. 17. Вольтметры на низкие напряжения (с пределами измерения 30 -500 В) имеют защитное сопротивление (рис. 17, а), встраиваемое внутрь прибора и ограничивающее ток при случайном замыкании электродов. В таких вольтметрах расстояние между электродами очень мало (десятые доли миллиметра), и изменение емкости механизма при повороте подвижной части достигается за счет изменения активной площади электродов (площади взаимного перекрытия электродов), поэтому при случайных толчках и ударах возникает опасность короткого замыкания электродов. Вольтметр включается в сеть с помощью зажимов А и Б. Подвижный электрод 2 соединен с экраном. При высокой частоте (свыше 300 кГц) из-за большой погрешности за счет емкостного тока защитное сопротивление отключается (при этом вольтметр включается в сеть посредством зажимов А и Э).
