Области применения, достоинства и недостатки

Устройство, принцип работы, достоинства и недостатки, область применения приборов электродинамической системы. Уравнение зависимости угла отклонения стрелки прибора от числового значения и рода измеряемой величины. Характер шкалы.

Устройство и принцип действия электродинамического ИМ

Принцип действия электродинамического измерительного механизма основан на взаимодействии магнитных полей двух систем проводников с током.

На рис. 1 схематически показано устройство электродинамического измерительного механизма, который состоит из подвижной 1 и неподвижной 2 катушек (рамок), стрелки 3, жестко прикрепленной к подвижной катушке, и шкалы 4, вдоль которой перемещается указатель стрелки.

Риc. 1. Устройство электродинамического измерительного механизма

Применяют круглые или прямоугольные катушки. Обычно неподвижная катушка состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. Вращающий момент создается при взаимодействии магнитного поля, создаваемого током I₁, проходящим по катушке 1, и магнитным полем, создаваемым током, проходящим через катушки возбуждения 2. Электромагнитная энергия W_e двух контуров с токами

W_e= L₁ I₁² /2 + L₂ I₂² /2 + I₁ I₂M_1,2, (1)

где L₁, L₂- индуктивность подвижной и неподвижной катушек; M_1,2 - взаимная индуктивность катушек 1 и 2.

Так как индуктивность катушек не зависит от угла поворота, поэтому вращающий момент, действующий на подвижную катушку 1

M_ВР = I₁I₂ (dM_1,2/da). (2)

При механическом создании противодействующего момента угол отклонения подвижной может быть определен по формуле

a = I₁I₂ (dM_1,2/da)/W. (3)

При включении электродинамического механизма в цепь переменного тока угол отклонения

a = I₁I₂ cosy (dM_1,2/da)/W, (4)

где I₁ и I₂- действующие значения токов; y - угол сдвига фаз между векторами токов I₁ и I₂.

В электродинамических логометрических измерительных механизмах противодействующий момент создается электрическим способом. Подвижная часть такого механизма состоит из двух жестко закрепленных между собой под определенным углом g катушек. Угол отклонения a зависит от отношения токов I₁/I₂.

Области применения, достоинства и недостатки

Приборы электродинамической системы могут применяться как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Шкала приборов неравномерная. Характер шкалы зависит от формы катушек и их взаимного расположения. Изменяя множитель dM_1,2/da, можно улучшить шкалу так, что в начале шкалы будет иметь место неравномерность, а далее шкала будет практически равномерной. Электродинамические ваттметры имеют практически равномерную шкалу, амперметры и вольтметры - равномерную шкалу, начиная с 15-20 % ее номинального значения.

Электродинамические приборы применяют в качестве: ваттметров постоянного тока и однофазных, трехфазных, малокосинусных ваттметров переменного тока, амперметров и вольтметров переменного и постоянного токов. Электродинамические логометрические измерительные механизмы применяются в фазометрах, частотомерах, фарадомерах. Выпускаются комбинированные приборы - ампервольтваттметры.

Электродинамические амперметры выполняются по двум схемам, показанным на рис. 2 а и 2б.

Рис. 2. Схемы включения катушек электродинамического механизма

Последовательное соединение катушек (рис. 2а) используется в амперметрах, предназначенных для измерения малых токов (до 0,5 А). Так как y = 0 и I₁= I₂= I, уравнение преобразования амперметра сводится к виду

a = I²(dM_1,2/da)/W. (5)

В параллельной схеме (рис. 2 б), которая используется при больших токах (до 10 А), подбором индуктивностей L₁, L₂и резистора R в цепях катушек задаются токи I₁= k₁I; I₂= k₂I и разность фаз y =0. Уравнение преобразования амперметра будет иметь вид

a = k₁ k₂.I²(dM_1,2/da)/W. (6)

Для выполнения электродинамического вольтметра последовательно с катушками, соединенными по схеме (рис. 2 а), включается добавочный резистор R_Д, как показано на рис. 2 в. Уравнение преобразования вольтметра имеет вид

a= [U₂/(R₂W)](dM_1,2/da), (7)

где R = R_Д+ R_V - общее сопротивление цепи.

Наиболее важной группой электродинамических приборов являются ваттметры. На рис. 2 г представлена простейшая схема однопредельного электродинамического ваттметра.

Учитывая, что I₁= I_Ни I₂ = U/(R₂ + R_Д), уравнение преобразования электродинамического ваттметра постоянного тока может быть записано в виде

a= [1 /W(R₂ + R_Д)] I_H U dM_1,2/da) = [1 /W(R₂ + R_Д)] P dM_1,2/da. (8)

На переменном токе уравнение преобразования

a= [1 /(W(R₂ + R_Д))] I_H Ucosj dM_1,2/da = [1 /(W(R₂ + R_Д))]^. Р_аdM_1,2/da, (9)

где j - угол сдвига фаз между приложенным напряжением U и током I_Hв нагрузке R_Н; R₂ – сопротивление параллельной катушки; Р_а - активная мощность нагрузки.

Из выражений (8), (9) видно, что шкала ваттметров равномерная.

Основными достоинствами электродинамических приборов являются: возможность использования в цепях как постоянного, так и переменного токов; возможность градуировки на постоянном токе; высокая стабильность показаний во времени; высокий класс точности (например, выпускаются электродинамические амперметры и миллиамперметры, вольтметры, однофазные ваттметры класса точности 0,05, частотомеры - класса 0,5). Высокая точность приборов обусловлена отсутствием в них, в отличие от других электромеханических приборов, ферромагнитных элементов.

В качестве недостатков таких приборов можно отметить следующие: влияние внешних магнитных полей и механических воздействий; большую мощность потребления. По чувствительности электродинамические приборы уступают магнитоэлектрическим. Однако применение растяжек и светового указателя позволяют уменьшить собственное потребление мощности (имеются миллиамперметры с током полного отклонения 1 мА).

Компенсационный метод измерения напряжения и эдс. начертите схему для измерения эдс компенсационным методом: опишите метод измерения и выведите уравнение для определения искомой эдс.

Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

Применяют следующие схемы компенсации: а) напряжений или ЭДС (рис. 7.2); б) электрических токов (рис. 7.3).

Рис. 7.2, Схема компенсации напряжений Рис. 7.3. Схема компенсации токов

Схема, показанная на рис. 7.2, наиболее распространенная. В ней измеряемое напряжение Ux компенсируется равным, но противоположным по знаку известным напряжением UK. Падение напряжения UK создается током / на изменяемом по значению компенсирующем образцовом сопротивлении RK. Изменение Rк происходит до тех пор, пока UK не будет равно Ux. Момент компенсации определяют по отсутствию тока в цепи магнитоэлектрического гальванометра G; при этом мощность от объекта измерения не потребляется.

Компенсационный метод обеспечивает высокую точность измерения.

Компенсаторами или потенциометрами называют устройства, предназначенные для измерения методом компенсации напряжения или э.д.с., а также ряда других электрических величин, связанных с напряжением или э.д.с. с функциональной зависимостью (например, I, P, R, и др.).

В практических схемах компенсаторов для обеспечения необходимой точности измерения ток I в рабочей цепи определяют не амперметром непосредственной оценки, а компенсационным методом с помощью эталона ЭДС нормального элемента. Нормальные элементы обеспечивают постоянную во времени ЭДС, равную 1,01865 В при температуре 20 °С, внутреннее сопротивление 500—1000 Ом, ток перегрузки 1 мкА. С изменением температуры окружающей среды значение ЭДС уменьшается на каждый градус повышения температуры:

Et = E20 - 0,00004 (t - 20) - 0,000001 (t ~ 20)2, (7.3)

где E t — ЭДС при температуре t, °С; E20 — ЭДС при 20 °С.

Схема компенсатора представлена на рис. 7.4. Она содержит источник вспомогательной ЭДС E_всп для питания рабочей цепи, в которую включают регулировочное Rp, компенсирующее R_K и образцовое R_H сопротивления. К зажимам НЭ подключают нормальный элемент, ЭДС которого Eнэ, к зажимам X — искомую ЭДС Ех. В качестве индикатора равновесия используют высокочувствительный магнитоэлектрический гальванометр G.

При работе с компенсатором выполняют две операции:

1) устанавливают ток / в рабочей цепи компенсатора с помощью источника вспомогательной ЭДС Eвсп(положение 1 переключателя В);

2) измеряют искомую ЭДС Ех (положение 2 переключателя В).

Для установки рабочего тока предварительно определяют температуру окружающей среды, затем по (7.3) вычисляют точное значение ЭДС нормального элемента для данной температуры. Далее устанавливают образцовое сопротивление RH, значение которого выбирают в зависимости от значений тока в рабочей цепи и ЭДС при температуре t (сопротивление RK состоит из катушки с постоянным значением сопротивления и последовательно соединенной с ней температурной декадой). Затем переключатель В ставят в положение 1 и ЭДС

Рис. 7.4. Схема компенсатора

нормального элемента противопоставляют падению напряжения на Ru, которое регулируется с помощью изменяющего значение тока / в рабочей цепи резистором Rp. Момент компенсации соответствует нулевому отклонению гальванометра G, т. е. Eнэ = IRn.

После установления рабочего тока I для измерения Ех переключатель В ставят в положение 2 и регулировкой образцового компенсирующего сопротивления Rк вновь доводят до нуля ток в цепи гальванометра G. Тогда

(7.4)

где I — значение тока, установленное при положении 1 переключателя В;RK— значение образцового компенсирующего сопротивления, при котором имеет место состояние равновесия.

Сопротивление RK выполняют по специальным схемам, которые обеспечивают постоянное сопротивление между точками 3, 4 и переменное сопротивление между точками 3, Д, а также необходимое число знаков и точность отсчета.

77. Определите потери мощности в дросселе и магнитную индукцию, при которой производилось измерение, если сопротивление амперметра и токовой цепи ваттметра равны 0,3 Ом каждое, а сопротивление вольтметра и цепи напряжения ваттметра 16 кОм каждое. Активное сопротивление обмотки дросселя, имеющего 500 витков, составляет 5 Ом. Показания приборов были: 4 А, 100 В, 80 Вт. Сечение сердечника 2,5х4 см², частота тока 50 Гц.

Решение.

Потери в стали определяются с учетом потерь в приборах, которые включены после ваттметра, по формуле

где - потери мощности в стали;

- показание ваттметра;

- потери в вольтметре в последовательной цепи ваттметра и катушки.

Определяем потери мощности в вольтметре

Определяем потери в последовательной цепи ваттметра

Определяем потери мощности в катушке

Определяем потери в стали

Определяем магнитную индукции

112. Для измерения индуктивного и емкостного сопротивлений цепей переменного тока были определены ток, напряжение и активная мощность, причем их значения были соответственно равны 1А±10%, 50 В±10%, 20 Вт±10%. Каков диапазон возможных значений индуктивности и емкости, если измерения производились в сети переменного тока частотой 50 Гц?

Решение.

Определяем диапазон значений тока, напряжения и активной мощности

I = 0,9÷1,1 А U = 45÷55 В Р = 18÷22 Вт

Определяем диапазон полного сопротивления цепи переменного тока