ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава седьмая
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Для наблюдения за режимом работы электрооборудования и учета электроэнергии, вырабатываемой генераторами и потребляемой приемниками, в электрические цепи включают различные измерительные приборы. Эти приборы измеряют ток, напряжение, мощность, cos φ, частоту, электрическую энергию и т. д. Некоторые электроизмерительные приборы применяют для определения состояния электрооборудования (контроль изоляции, измерение сопротивлений).

Приборы для электрических измерений отличаются высокой чувствительностью, большой точностью, простотой и надежностью. Благодаря этому электроизмерительные приборы в настоящее время используют для измерения многих неэлектрнческих величин (например, измерения деформации изделия, его толщины, температуры и т. п.), для контроля и автоматизации различных производственных процессов, а также при экспериментальных исследованиях в различных отраслях науки и техники.

7.1. СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ

В электротехнической практике наиболее широкое распространение получили измерительные приборы непосредственной оценки (прямого отсчета).

В электроизмерительном приборе этого типа независимо от назначения и принципа действия имеются электрические цепи и измерительный механизм. В простейшем приборе, например в амперметре, катушка его включается последовательно в ветвь электрической цепи, где необходимо измерить ток. В более сложных приборах измерительные цепи содержат кроме катушек конденсаторы, резисторы и т. п.

Рис. 7.1. Устройство электроизмерительного прибора магнито­электрической системы

Измерительный механизм прибора имеет подвижную часть, каждому положению которой соответствует определенное значение измеряемой величины. С подвижной частью связаны стрелка или другое указательное устройство (световой луч, цифровой счетный механизм). Перемещение подвижной части измерительного механизма происходит в результате взаимодействия магнитных (или электрических) полей в приборе. Это взаимодействие создает вращающий момент Мвр, зависящий от значения измеряемой величины.

Вращающий момент должен быть уравновешен для того, чтобы подвижная часть вместе со стрелкой занимала определенное положение, соответствующее значению измеряемой величины, В большинстве случаев противодействующий момент Мпр в электроизмерительных приборах создается механическими элементами (пружины, растяжки и др.). Значение этого момента пропорционально углу закручивания пружины. При установившемся отклонении Мвр = Мпр.

Чтобы подвижная часть прибора после внезапного нарушения равновесия моментов, вызванного изменением измеряемой величины, без колебаний заняла новое положение, электроизмерительные приборы обычно снабжаются успокоителями (демпферами).

По принципу действия различают следующие системы электроизмерительных приборов: магнитоэлектрическую, электромагнитную, электродинамическую, индукционную и др.

7.1.1. Магнитоэлектрическая система. Принцип действий магнитоэлектрических приборов основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и обмотки с током. В воздушном зазоре 1 (рис. 7.1) между неподвижным стальным цилиндром 2 и полюсными наконечниками NS неподвижного постоянного магнита расположена алюминиевая рамка с обмоткой 3, состоящей из  w витков изолированной проволоки.

Рамка жестко соединена с двумя полуосями О и О', которые своими концами опираются о подшипники. На полуоси О закреплены указательная стрелка 4 и две спиральные пружинки 5 и 5', через которые к катушке подводится измеряемый ток I, противовесы 6. Полюсные наконечники NS и стальной цилиндр 2 обеспечивают в зазоре 1 равномерное радиальное магнитное поле с индукцией В. В результате взаимодействия магнитного поля с током в проводниках обмотки 3 создается вращающий момент. Рамка с обмоткой при этом поворачивается и стрелка отклоняется на угол α. Электромагнитная сила Fэм , действующая на обмотку, равна Fэм = wBlI.

Вращающий момент, создаваемый силой Fэм,

Mвр = Fэмd = wBlId = C1I1,

где d и l— ширина и длина рамки (обмотки); С1 - коэффициент, зависящий от числа витков w, размеров обмотки и магнитной индукции В.

Повороту рамки противодействуют спиральные пружинки 5 и 5', создающие противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания α:

Мпр = С2α,

где   С2 — коэффициент,   зависящий   от   жесткости   пружинок.

Стрелка устанавливается на определенном делении шкалы при  равенстве  моментов
Мвр = Мпр,  т.  е. когда C1I = С2α. Угол поворота стрелки

α =	C1	I = СI
	С2

пропорционален току. Следовательно, у приборов магнитоэлектрической системы шкала равномерная, что является их достоинством.

Направление вращающего момента (определяемое правилом левой руки) изменяется при изменении направления тока. При включении прибора магнитоэлектрической системы в цепь переменного тока на катушку действуют быстро изменяющиеся по значению и направлению механические силы, среднее значение которых равно нулю. В результате стрелка прибора не будет отклоняться от нулевого положения. Поэтому эти приборы нельзя применять непосредственно для измерений в цепях переменного тока.

В приборах магнитоэлектрической системы успокоение (демпфирование) стрелки происходит благодаря тому, что при перемещении алюминиевой рамки в магнитном поле постоянного магнита NS в ней индуктируются вихревые токи. В результате взаимодействия этих токов с магнитным полем возникает момент, действующий на рамку в направлении, противоположном ее перемещению, что и приводит к быстрому успокоению колебаний рамки.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы находят применение также при измерениях в цепях переменного тока. При этом в цепь подвижной катушки включают преобразователи перемен-ного тока в постоянный или пульсирующий ток. Наибольшее распространение получили выпрямительная и  термоэлектрическая  системы.

На рис. 7.2, а показана принципиальная схема для измерения переменного тока прибором выпрямительной системы.

Измерительный прибор включен в диагональ АВ моста, собранного из четырех выпрямительных полупроводниковых элементов. При переменном токе в диагонали АВ возникает пульсирующий ток, не меняющий своего направления. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, создает изменяющийся по значению, но действующий в одном направлении вращающий момент, пропорциональный току I.

Отклонение стрелки прибора пропорционально среднему значению вращающего момента за период, а следовательно, среднему значению тока. Если в цепи действует синусоидальный ток, то шкалу прибора можно отградуировать в действующих значениях тока, поскольку между средним и действующим значениями тока существует определенное соотношение. При отклонении формы кривой тока от синусоиды правильное измерение действующих значений при указанной выше градуировке шкалы оказывается невозможным.

Рис. 7.2. Схемы включения магнитоэлектрических приборов выпрямительной (а) и термоэлектрической (б) систем в цепь переменного тока

В приборах термоэлектрической системы в качестве преобразователя используется термопара 1. Измерительный прибор 2 соединен со свободными концами термопары, а рабочие концы, образующие ее горячий спай, нагреваются измеряемым током проволочного нагpeвательного элемента 3 (рис. 7.2, б).

Количество теплоты Q, выделяемой в нагревателе, пропорционально квадрату действующего значения тока. Температура нагрева горячего спая термопары и ее ЭДС находятся в прямой зависимости от Q. В связи с этим отклонение стрелки измерительною прибора, пропорциональное ЭДС термопары, также находится в прямой зависимости от квадрата действующего значения тока.

Вольтметры и амперметры выпрямительной и термоэлектрической системы применяются для измерений в цепях переменного тока как промышленный ток и повышенных частот.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: точность показаний, малая чувствительность к посторонним магнитным полям, незначительное потребление мощности, равномерность шкалы. К недостаткам следует отнести необходимость применения специальных преобразователей при измерениях в цепях переменного тока и чувствительность к перегрузкам (тонкие токопроводящие пружинки 5 и 5' из фосфористой бронзы при перегрузках нагреваются и изменяют свои упругие свойства).

7.1.2. Электромагнитная система. Принцип действия электромагнитных приборов основан на втягивании стального сердечника в неподвижную обмотку с током. Неподвижный элемент прибора — обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь (рис. 7.3).

Подвижный элемент — стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, — эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки 1 образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол α.

Магнитная индукция В в сердечнике (при отсутствии насыщения) пропорциональна току обмотки. Сила F, с которой сердечник втягивается в обмотку, зависит от тока и магнитной индукции В в сердечнике. Приближенно можно принять, что сила F, a следовательно, и обусловленный ею вращающий момент пропорциональны квадрату тока в катушке:

Mвр = CI2

Рис. 7.3. Устройство электроизмерительного прибора электромагнитной системы

Противодействующий момент, уравновешивающий вращающий момент, пропорционален углу α. В связи с этим угол отклонения стрелки находится в квадратичной зависимости от тока; шкала прибора оказывается неравномерной. Для успокоения подвижной части прибора обычно применяют воздушный демпфер. Он состоит из цилиндра 6 и поршня 5, шток которого укреплен на оси О. Сопротивление воздуха, оказываемое перемещению поршня в цилиндре, обеспечивает быстрое успокоение стрелки.

Достоинства проборов электромагнитной системы: простота      конструкции,      пригодность для измерения в цепях постоянного и переменного тока, надежность в эксплуатации. К недостаткам относятся неравномерность шкалы, влияние посторонних магнитных полей на точность показаний. Последнее обусловлено тем, что магнитное поле обмотки расположено в воздушной среде и поэтому его магнитная индукция невелика.

Для ослабления влияния посторонних магнитных полей в некоторых приборах на оси подвижной части (рис 7.4) укреплены два одинаковых сердечника, каждый из которых размещен в магнитном поле соответствующей обмотки (1 и 2), которые включены между собой последовательно. Направление намотки обмоток выполнено так, что их магнитные поля Ф1 и Ф2 направлены в противоположные стороны. Моменты, созданные магнитными полями каждой обмотки, действуют на ось согласно Мпр1 + Мпр2 = Мпр . Постороннее магнитное поле Фвн ослабляет поток Ф1, нo усиливает поток Ф2 . В результате общий вращающий момент Мвр остается неизменным и зависит от измеряемого тока I. Приборы такой конструкции называются астатическими. Для уменьшения погрешности измерений, вносимой посторонними магнитными полями, некоторые приборы экранируют, помещая их в стальные корпуса.

Рис. 7.4. Устройство астатического прибора электромагнитной системы

Рис. 7.5. Устройство электроизмерительного прибора электродинамической системы (а); к пояснению принципа действия прибора (б)

 

7.1.3. Электродинамическая система. Приборы этой системы (рис. 7.5, а) состоят из двух обмоток: неподвижной 1 и подвижной 2. Подвижная обмотка укреплена на оси ОО' и расположена внутри неподвижной обмотки. На оси ОО подвижной обмотки укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4 и 4', через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент Мпр пропорциональный углу закручивания α. Принцип действия прибора (рис. 7.5, б) основан на взаимодействии тока I2 подвижной обмотки с магнитным   потоком   Ф1 неподвижной обмотки.

При постоянном токе электромагнитная сила Fэм , действующая на проводники подвижной обмотки, пропорциональна току и магнитному потоку Ф1 . Поскольку поток Ф1 пропорционален току I1 неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален произведению токов обмоток:

Мвр = С'Ф1I2 = С''Ф1I2 ,

где  С' и С'' — коэффициенты  пропорциональности.

При переменном токе вращающий момент пропорционален произведению мгновенных значений токов:

i1 = I1m sin ωt и i2 = I2m sin (ωt + ψ).

Показание прибора в этом случае определяется средним за период значением вращающего момента:

	1 T	T
Мвр =		∫	C''i1i2 dt = СI1I2 cos ψ.
		0

Здесь С — коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров и расположения катушек; I1 и I2 — действующие значения токов в обмотках; ψ - угол сдвига фаз между векторами токов I1 и I2.

При равенстве моментов (Мвр = Мпр) подвижная обмотка отклоняется на угол α и стрелка указывает на шкале числовое значение измеряемой электрической величины. Для успокоения подвижной части прибора используют воздушные демпферы, Электродинамические приборы применяют для измерения мощности, тока и напряжения в цепях переменного тока.

Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (обусловленной отсутствием ферромагнитных сердечников) и могут быть использованы для измерения электрических величин в цепях постоянного и переменного тока. Недостатками приборов являются чувствительность к перегрузкам и влияние посторонних магнитных полей на точность измерений. Приборы этой системы используются в качестве амперметров, вольтметров и ваттметров.

В тех случаях, когда подвижная система должна развивать повышенный вращающий момент (например, в самопишущем приборе), вместо приборов электродинамической системы применяют приборы ферродинамической системы (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Устройство электроизмерительно- го прибора

Они отличаются от электродинамических приборов наличием ферромагнитного сердечника 1, на котором помещены обмотки 2, и ферромагнитного цилиндра 3. В зазоре между сердечником 1 и цилиндром 3 расположена подвижная обмотка 4. Наличие сердечников усиливает магнитные поля обмоток и вызывает увеличение вращающего момента. Точность ферродинамических приборов ниже, чем точность электродинамических приборов.

7.1.4. Индукционная система. Принцип действия индукционных приборов поясним на упрощенной схеме устройства однофазного счетчика переменного тока (рис, 7.7, а-в).

Основными элементами прибора являются: трехстержневой электромагнит 1 с обмоткой 2,имеющей большое число витков из тонкой проволоки: П-образный электромагнит 3 с обмоткой 4, имеющей небольшое число витков из толстой проволоки; алюминиевый диск 5, который может вращаться вокруг оси 6.

Обмотка 2 включается параллельно измеряемой цепи, а обмотка 4 — последовательно с этой цепью.

Ток I1 в катушке 4 образует магнитный поток Ф1, который дважды пересекает алюминиевый диск 5. Ток I2 в обмотке 2 создает магнитный поток, часть которою Ф2 также пронизывает диск  5  (поток  Ф2  замыкается  по  стальной  скобе   7).

Ток I1 и напряжение Uсдвинуты по фазе на угол φ, значение которого определяется характером нагрузки, присоединенной к линии Л. Ток I2 благодаря большой индуктивности обмотки 2 отстает по фазе от напряжения U на угол, близкий к 90°. Магнитные потоки Ф1 и Ф2 совпадают по фазе с вызвавшими их токами I1 и I2 (рис. 7.7, г). Поток Ф1 пропорционален току нагрузки I1, а поток Ф2 — напряжению сети.

Переменные потоки Ф1 и Ф2 индуктируют в алюминиевом диске ЭДС E1 и Е2, отстающие по фазе от этих потоков на 90°. ЭДС Е1 и Е2 вызывают в диске токи Iд1 и Iд2, которые можно считать совпадающими по фазе с вызвавшими их ЭДС. Примерная картина распределения токов в диске показана на рис. 7.7, б.

Mгновенноe значение силы Fэм , действующей на элемент диска с током iд , равно

Fэм = kФiд = kФm sin ωt - Iдm sin (ωt + ψ),

Рис. 7.7, Устройство электроизмери- тельного прибора индукционной системы (а, б, в); векторная диаграммa, поясняющая принцип действия прибора (г)

где k — коэффициент пропорциональности; ψ — угол сдвига фаз между потоком Ф и током Iд.

Среднее за период значение силы Fэм

Из векторной диаграммы видно, что углы между потоком Ф1 и током Iд1 и между потоком Ф2 и током Iд2 равны 90°, угол между потоком Ф1 и током Iд2 составляет (180° - φ), а угол между потоком Ф2 и током Iд1 равен φ.

Учтивая это и исходя из (7.1), находим, что силы взаимодействия магнитных потоков Ф1 и Ф2 с токами Iд1 и Iд2 создают результирующий момент, вращающий диск:

Мвр = С1Ф1Iд2 cos (180° - φ) + С2Ф2Iд1 cos φ =

где С', C1, C2 - коэффициенты пропорциональности; Р - активная мощность, потребляемая нагрузкой.

Из (7.2) следует, что вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален мощности Р.

Для создания противодействующего момента предусмотрен постоянный магнит 8 (рис 7.7, а и б). При вращении диска поле постоянного магнита индуктирует в нем вихревые токи, которые в соответствии с законом Ленца противодействуют вращению диска. Поскольку значение вихревых токов пропорционально частоте вращения диска n, противодействующий момент также пропорционален n:

Mпр = C0n.

Так как вращающий момент Mпр при установившейся частоте вращения диска уравновешивается противодействующим моментом Mпр , из формул (7,1) и (7.2) следует, что частота вращения диска пропорциональна мощности Р:

n =	C	Р.
	C0

Число оборотов N, которое диск сделает за время t, будет пропорционально энергии W, полученной из сети нагрузкой за это же время:

	t		C C0	t		C C0
N =	∫	n dt =		∫	P dt =		W.
	0			0

Величина W/N = C0/C называется постоянной счетчика и представляет собой электрическую энергию, соответствующую одному обороту диска.

Счетчик снабжается счетным механизмом, связанным чер­вячной передачей с осью диска. Измеряемая счетчиком энергия отсчитывается по показаниям счетного механизма.