Устройство измерительных приборов

Лекция 3.1. Устройство измерительных приборов Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия, по классу точности, по роду тока. Условные обозначения, наносимые на шкалу аналоговых электроизмерительных приборов. Общее устройство электроизмерительных приборов. Принцип действия. Основные элементы конструкции электроизмерительных приборов. Приборы электромагнитной, магнитоэлектрической, электродинамической и индукционной систем. Выпрямительная система. Классификацию измерительных приборов мы изучали на предыдущей лекции. На лицевой стороне измерительного прибора, недалеко от шкалы, как правило, размещены необходимые маркировки: единица величины измерения, ГОСТ, класс точности прибора, число фаз и род тока, категория защищенности данного измерительного прибора от внешних электрических и магнитных полей, условия эксплуатации, рабочее положение, предельное напряжение прочности изоляции измерительных цепей (на фото — в звездочке «2», значит 2 кВ), номинальная частота тока, если отличается от промышленных 50 Гц, например 500 Гц, положение относительно Земли, тип, система прибора, год выпуска, заводской номер, и прочие важные параметры. Картинки приборов на http://offtop.ru/dustyattic/v1_714742_1.php ГОСТ 23217-78 Обозначение принципа действия прибора http://electricalschool.info/spravochnik/izmeren/1834-klassifikacija-jelektroizmeritelnykh.html Обозначения рода тока Обозначения класса точности, положения прибора, прочности изоляции, влияющих величин Таблица 1. Примеры обозначения единиц измерения, их кратных и дольных значений Наименование Обозначение Наименование Обозначение Килоампер kA Коэффициент мощности cos φ Ампер A Коэффициент реактивной мощности sin φ Миллиампер mA Тераом TΩ Микроампер μA Мегаом MΩ Киловольт kV Килоом kΩ Вольт V Ом Ω Милливольт mV Миллиом mΩ Мегаватт MW Микром μΩ Киловатт kW Милливебер mWb Ватт W Микрофарада mF Мегавар MVAR Пикофарада pF Киловар kVAR Генри H Вар VAR Миллигенри mH Мегагерц MHz Микрогенри μH Килогерц kHz Градус стоградусной температурной шкалы °C Герц Hz Градусы угла сдвига фаз φ° Классы точности: ГОСТ 8.401-80 Форма выражения погрешности Пределы допускаемой основной погрешности Пределы допускаемой основной погрешности, % Обозначение класса точности в документации на средстве измерений Приведенная по п. 2.3.2 - если нормирующее значение выражено в единицах величины на входе (выходе) средств измерений (пп. 2.3.3 - 2.3.5 ); - если нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части (п. 2.3.6 ) γ = ± 1,5 Класс точности 1,5 1,5 γ = ± 0,5 Класс точности 0,5 Относительная по п. 2.3.8 ) δ = ± 0,5 Класс точности 0,5 Класс точности 0,02/0,01 0,02/0,01 Абсолютная по п. 2.3.1 или   Класс точности М М Относительная по пп. 2.3.8 и 3.1.1     Класс точности С С Приборы для разных групп по своему устройству существенно отличаются, однако есть ряд элементов, общих для всех электроизмерительных приборов – корпус, измерительного механизма, отсчетного устройства, элементов измерительной цепи. Общая структура функциональных узлов аналоговых электроизмерительных приборов АЭП (http://it.fitib.altstu.ru/neud/aiu/index.php?doc=teor&module=1) Отсчетные устройства (ОУ) предназначены для преобразования сигналов измерительной информации y в форму, доступную для считывания значений измеряемой величины. Устройство преобразования (УП) состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей (ИП), предназначенных для преобразования измеряемой величины x в такой сигнал y, параметры которого соответствуют входным характеристикам отсчётного устройства. В УП могут входить масштабные, функциональные и другие виды ИП. Образцовые средства (ОС) используют для калибровки АЭП (генератор меток в электронных осциллографах). Вспомогательные устройства (ВУ) не принимают непосредственного участия в преобразовании сигналов, но обеспечивают необходимые условия работы других узлов (источники питания). Устройства преобразования и отсчёта являются необходимой принадлежностью структуры АЭП, в то время как, наличие образцовых средств и вспомогательных устройств не является обязательным. В измерительных механизмах в основном применяют 3 типа отсчетных устройств: (электротехнические измерения pdf) 1. обычная шкала и стрелка, имеющая копьевидный конец 2. зеркальная шкала и стрелка, содержащая ножевидный конец 3. световой отсчет при помощи зеркальца Устройства преобразования Различают по методу преобразования: - аэп прямого преобразования - аэп компенсационного преобрвазования - аэп смешанного преобразования В АЭП прямого преобразования входной сигнал х преобразуется одним или несколькими преобразователями П1,….,Пn в одном направлении от входа к выходу. Рисунок 1.4 - Структурная схема АЭП прямого преобразования В АЭП уравновешенного (компенсационного) преобразования входная величина x компенсируется величиной x′, представляющей собой выходную величину y, преобразованную цепью обратного преобразования. В этой группе АЭП вся цепь прямого преобразования охвачена отрицательной обратной связью (ООС). Рисунок 1.5 - Структурная схема АЭП компенсационного преобразования Если в структуру АЭП введена ООС, охватывающая не все звенья цепи прямого преобразования, то такие АЭП следует отнести к разряду приборов смешанного преобразования (рисунок 1.6). Рисунок 1.6 - Структурная схема АЭП смешанного преобразования Илюнина стр. 215 – габариты щитовых приборов Наиболее распространенные варианты расположения отсчетного устройства показаны на рисунке. Габариты приборов условно разделяют на миниатюрные, малого, среднего и большого габарита. Как правило, чем больше прибор, тем больше точность. Шишмарев Электротехнические измерения Панфилов Электрические измерения Приборы магнитоэлектрической системы Одной из самых простых (и исторически, пожалуй, самых ранних) систем, используемых при построении электромеханических приборов является магнитоэлектрическая (МЭ). Конструкция и принцип действия. На рис. 3.2 упрощенно показана конструкция механизма такой системы, которая содержит преобразователь электрической величины (входного измеряемого тока) в механическую (угол отклонения) и отсчетное устройство (указатель и шкалу). Рис. 3.2. Конструкция магнитоэлектрического механизма: I – постоянный магнит; 2 – магнитопровод; 3 – цилиндрический сердечник из магнитомягкого материала; 4 – рамка с измеряемым током; 5 – ось; 6 – спиральная пружина; 7– стрелка; 8– шкала Постоянный магнит 7, магнитопровод 2 и цилиндрический сердечник 3 из магнитомягкого материала создают равномерное радиальное магнитное поле в воздушном зазоре, в котором расположена и может поворачиваться рамка 4 с измеряемым током. Рамка (несколько десятков витков медного провода) жестко связана с осью 5, на которой закреплена стрелка 7. Эти элементы образуют подвижную часть механизма. Как известно, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. При протекании измеряемого тока 7 в Рамке, находящейся в магнитном поле зазора, возникает вращающий момент М, равный произведению индукции В магнитного поля в зазоре, активной (т. е. находящейся в магнитном поле) площади рамки 5, числу витков w и току I в рамке: М = BSwI. Отсчетное устройство – стрелка 7 и шкала 8 – преобразует угол отклонения (поворота) рамки  в показания (отсчет). Спиральная пружина 6 служит для создания противодействующего момента Мпр: Мпр = , где  – угол поворота подвижной части;  – удельный противодействующий момент. Вращающий момент заставляет рамку поворачиваться. Противодействующий момент направлен навстречу вращающему. В процессе поворота рамки противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М = Мпр BSuiI = . Следовательно, угол поворота  имеет вид  = (BSwI)/. Таким образом, поскольку значения параметров В, S, w,  практически постоянны, можно говорить о линейной зависимости угла поворота  (и, следовательно, показаний) МЭ приборов от значения измеряемой величины (в данном случае тока I). Амперметры и вольтметры. Для измерения малых токов (до 100 мА) используются непосредственно магнитоэлектрические измерительные механизмы. Если требуется измерять токи, превосходящие ток полного отклонения механизма, то применяются шунты (точные резисторы с малым сопротивлением: десятые – тысячные доли ома) – рис. 3.3, а. При этом через измерительный механизм (ИМ) течет ток Iм, представляющий собой только часть измеряемого тока I. Зная соотношение между сопротивлениями рамки ИМ и шунта Rш, можно переградуировать шкалу прибора или пересчитать показания в результат измерения. Схема магнитоэлектрического вольтметра приведена на рис. б. Последовательно с ИМ включается резистор Rv с достаточно большим сопротивлением. Добавочные резисторы Rдi и Rд2 обеспечивают несколько диапазонов измерения напряжения Uy (UV3 > UV2 > UV1). Ток I через ИМ на любом диапазоне не должен превосходить номинального значения Iном для механизма. Рис. 3.3. Амперметр (а) и вольтметр (б) магнитоэлектрической системы Особенности магнитоэлектрических приборов. Приборы МЭ системы, по сравнению с другими электромеханическими приборами, имеют ряд преимуществ. Это более высокие точность и чувствительность; равномерная (линейная) шкала; сравнительно малое собственное потребление энергии от источника сигнала; практическое отсутствие влияния внешних магнитных полей (так как собственное поле в зазоре значительно). Есть и недостатки. Это возможность работы ИМ только на постоянном токе; сравнительная сложность реальной конструкции; заметная чувствительность к перегрузкам, механическим воздействиям, ударам, вибрации; изменение упругих свойств пружины со временем, а также зависимость показаний от изменения температуры окружающей среды. Современные реальные конструкции, конечно, сложнее рассмотренной. Обозначение МЭ системы на шкалах приборов: Приборы выпрямительной системы Из выражения для вращающего момента М следует, что приборы МЭ системы непосредственно могут быть использованы только для работы с постоянными напряжениями и токами, а для работы в цепях переменного тока им требуются преобразователи переменного тока в постоянный – выпрямители (детекторы). Могут применяться разные типы детекторов: амплитудного значения, среднего выпрямленного значения, среднего квадратического (действующего) значения. Наиболее распространены в простых аналоговых электромеханических приборах детекторы среднего выпрямленного значения как самые простые и дешевые. На рис. 3.4, а показан вариант схемы вольтметра переменного напряжения с двухполупериодным выпрямителем, а на рис. 3.4, б – временные диаграммы входного напряжения u(t) и выпрямленного тока /в(г) через магнитоэлектрический ИМ. Рис. 3.4. Схемы (а, в) вольтметра среднего выпрямленного значения, временные диаграммы (б) Выпрямитель образован мостом из четырех полупроводниковых диодов VD1, VD2, VD3, VD4, включенных таким образом, что выпрямленный ток iв(t) через ИМ всегда течет в одну сторону, независимо от полярности входного напряжения. Если на каком-то интервале времени на верхнем входном зажиме (см. рис. 3.4, а) положительный потенциал, то открываются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 закрыты, и ток через ИМ течет справа налево. Если положительный потенциал на нижнем входном зажиме, то открываются диоды VD2 и VD4 (при этом диоды VD1 и VD3 закрыты), и ток через ИМ также течет справа налево. И хотя вращающий момент является меняющейся функцией выпрямленного тока, но вследствие значительной механической инерционности подвижной части ИМ показания прибора при частотах выше 10 Гц равны среднему значению текущего в рамке тока iв(t), т.е. равны среднему выпрямленному значению IС.В. Добавочный резистор Rл, во-первых, устанавливает связь между входным напряжением и номинальным током МЭ механизма и, во-вторых, обеспечивает достаточно высокое входное сопротивление вольтметра. Таким образом, показания вольтметра пропорциональны среднему выпрямленному значению входного напряжения u(f). Помимо рассмотренной схемы, применяются и более дешевые решения двухполупериодного выпрямления, например такие, как на рис. 3.4, в (сопротивления резисторов R1 и R2 равны). В некоторых простых приборах реализовано и однополупериодное выпрямление (рис. 3.5, а). При этом значение сопротивления резистора R выбирают равным сопротивлению рамки ИМ. а б Рис. 3.5. Схема вольтметра с однополупериодным выпрямителем (о), временные диаграммы (б) Правда, в этом случае чувствительность прибора заметно ниже, поскольку среднее выпрямленное значение тока в этой схеме вдвое меньше, чем при двухполупериодном выпрямлении (рис. 3.5, б). Схемы, показанные на рис. 3.4 и 3.5, лежат в основе большинства аналоговых многофункциональных измерительных приборов – тестеров. Расширение диапазонов измерения вольтметров реализуется подключением (переключением) различных добавочных резисторов. Важно не забывать, что такие вольтметры и амперметры реагируют именно на среднее выпрямленное значение переменного сигнала, а не на действующее (которое чаще всего требуется). Градуируются же они обычно в действующих значениях для частного (хоть и распространенного) случая синусоидального сигнала. Поэтому при работе с заметно несинусоидальными сигналами возможны большие погрешности измерения. Например, при форме сигнала, близкой к прямоугольной, погрешность может достигать 10%. Достоинствами выпрямительных приборов являются высокая чуствительность, малое собственное потребление энергии и возможность измерения в широком диапазоне частот. Частотный диапазон выпрямительных приборов определяется применяемыми диодами. Так, использование точечных кремниевых диодов обеспечивает измерение переменных токов и напряжений на частотах 50... 105 Гц. Основными источниками погрешностей 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. Выпрямительные приборы выполняются в виде многопредельных и многоцелевых лабораторных измерительных приборов .К этому типу измерительных приборов относится так называемый тестер. Наименьшие пределы измерения переменных токов и напряжений 0,25-0,3 мА и 0,25-0,3 В , малое собственное потребление мощности, широкий частотный диапазон ( до 10-20 кГц). Недостатки: невысокая точность ( классы точности 1,0-2,5 ); зависимость показаний от формы кривой измеряемой величины. Обозначение приборов выпрямительной системы на шкалах: Приборы термоэлектрической системы Термоэлектрические (ТЭ) измерительные приборы основаны на преобразовании электрической энергии в тепловую и затем вновь в электрическую. Приборы этой системы состоят из термоэлектрического преобразователя (ТП) и магнитоэлектрического измерительного механизма. Термоэлектрический преобразователь представляет собой объединение нагревателя (тонкая проволока из нихрома или константана) и термопары (рис. 3.6, а). ТермоЭДС термопары eт зависит от температуры ее рабочего спая, т.е. от температуры нагревателя, которая, в свою очередь определяется действующим значением протекающего по нему тока i(t). Рис. 3.6. Схемы термоэлектрических приборов: а – ТЭ преобразователя; 6 – ТЭ амперметра; в – ТЭ вольтметра Протекающий по нагревателю ТП ток i(t) (переменный или постоянный) нагревает рабочий спай термопары до температуры, пропорциональной квадрату действующего значения этого тока. Свободные концы термопары подключаются к магнитоэлектрическому ИМ (рис. 3.6, б). Ток Iм, текущий через ИМ: IМ = eт/R где ет – термоЭДС термопары; R – суммарное сопротивление термопары и ИМ. Показание прибора  определяется по следующей формуле:  = kI2 где k – коэффициент пропорциональности, определяемый особенностями конструкции ТП; I – действующее значение измеряемого тока i(t). На рис. 3.6, б приведена схема ТЭ амперметра, а на рис. 3.6, в – схема ТЭ вольтметра. Для измерения малых токов и напряжений (поскольку значения термоЭДС термопары незначительны – единицы–десятки милливольт), в схему прибора вводится усилитель постоянного тока, повышающий выходной сигнал термопары. Расширение диапазонов измерения ТЭ амперметров в сторону увеличения значений осуществляется с помощью измерительных трансформаторов тока. В случае расширения пределов ТЭ вольтметров применяют добавочные резисторы с различными сопротивлениями. К достоинствам ТЭ приборов можно отнести следующие: • работа как с постоянными, так и с переменными токами и напряжениями; • реакция на истинное среднее квадратическое (действующее) значение независимо от формы сигнала; • широкий диапазон частот измеряемых сигналов (до десятков мегагерц); • сравнительно высокая точность приборов (типичные классы точности 1,0... 1,5). К недостаткам ТЭ приборов относятся: • невысокое быстродействие в силу значительной тепловой инерционности ТП; • заметное собственное потребление приборов от источника исследуемого сигнала; • неравномерность (квадратичность) шкалы приборов; • зависимость точности от изменения температуры свободных концов термопары; • малая перегрузочная способность. Обозначение термоэлектрических приборов на шкалах: Приборы электромагнитной системы В щитовых измерительных приборах, предназначенных для работы в электрических цепях переменного тока промышленной частоты, широко применяется электромагнитная (ЭМ) система, которая имеет ряд преимуществ перед магнитоэлектрической. Конструкция и принцип действия. В основе самой простой конструкции (рис. 3.7) этого ИМ полая катушка с измеряемым током I (или с током, пропорциональным измеряемому напряжению U в случае вольтметра). Рис. 3.7. Устройство электромагнитного механизма: I – катушка с измеряемым током; 2 – ось; 3 – спиральная пружина; 4 – сердечник из магнитомягкого материала; 5 – стрелка; 6 – шкала Протекающий по катушке 1 ток создает магнитный поток, который притягивает (втягивает внутрь катушки) сердечник 4, выполненный из магнитомягкого материала и закрепленный на оси 2. При этом возникает вращающий момент М, равный производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота : где I – действующее значение тока в катушке; L – индуктивность катушки;  – угол поворота сердечника. Спиральная пружина 3 служит для создания противодействующего момента Mпр: Mпр =  где  – удельный противодействующий момент. Моменты М и Мпр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота  противодействующий момент Mпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= Мпр Следовательно, угол поворота Отсчетное устройство – стрелка 5 и шкала 6 – преобразует угол поворота сердечника в показания (отсчет). Из последнего уравнения следует, что ЭМ приборы могут работать как в цепях постоянного, так и переменного тока; а также, что шкала у ЭМ приборов – нелинейная (квадратичная). Существуют и другие конструкции ЭМ измерительных механизмов, в частности с замкнутым магнитопроводом, которая обеспечивает лучшую защищенность от внешних магнитных полей. Амперметры и вольтметры. В основе конструкции амперметров ЭМ системы лежит катушка, состоящая из нескольких секций (рис. 3.8, а), переключением которых можно изменять пределы измерения токов: I1> 12> I3 Рис. 3.8. Схемы амперметров (а) и вольтметров (б, в) электромагнитной системы В простейшей схеме вольтметра последовательно с катушкой включается добавочный резистор Rv (рис. 3.8, б). В такой схеме с ростом частоты напряжения со линейно растет индуктивное сопротивление XL катушки измерительного механизма: XL =jL. При этом растет суммарное сопротивление цепи, ток в катушке падает, что приводит к уменьшению показаний прибора. Для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в достаточно широком диапазоне частот в схему вольтметра (рис. 3.8, в) вводится цепь частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор RK), сопротивление которой с ростом частоты падает, компенсируя возрастание сопротивления катушки. С помощью добавочных резисторов Ral и Rd2 обеспечивается возможность работы в нескольких диапазонах измерения напряжения. Особенности ЭМ приборов. Приборы электромагнитной системы могут быть использованы для измерения и постоянных, и переменных напряжений и токов. При этом они реагируют на истинное среднее квадратическое (действующее) значение переменного сигнала независимо от его формы (правда, в пределах своего сравнительно неширокого частотного диапазона). Кроме того, важным преимуществом является то, что приборы этой системы выдерживают значительные перегрузки (возможны двух- и трехкратные перегрузки), имеют сравнительно простую конструкцию и, следовательно, надежны и дешевы. Достаточно сказать, что ЭМ приборы – это самые распространенные щитовые приборы. Недостатки приборов ЭМ системы следующие: • нелинейная (квадратичная) шкала; • узкий частотный диапазон измеряемых сигналов (сотни герц – единицы килогерц); • заметное влияние внешних магнитных полей; • невысокий класс точности (типично – 1,5...2,5%). Обозначение приборов ЭМ системы на шкалах: Приборы электродинамической системы Конструкция и принцип действия. На рис. 3.9 приведена упрощенная конструкция электродинамического (ЭД) измерительного механизма. Неподвижная катушка 1 с током I1 разделена на две части; подвижная катушка 2 с током I2 закреплена на оси 3 внутри неподвижной катушки. Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента. Рис. 3.9. Конструкция электродинамического измерительного механизма: 1 — неподвижная катушка; 2 — подвижная катушка; 3 — ось; 4 — спиральная пружина; 5 — стрелка; 6 — шкала Принцип действия основан на взаимодействии магнитных потоков двух катушек с токами I1 и I2. Протекающие по катушкам токи создают магнитные потоки, которые стремятся принять одно направление, при этом подвижная катушка поворачивается внутри неподвижной. Вращающий момент М для постоянных токов: где L1–2 – взаимная индуктивность катушек;  – угол поворота подвижной части. Электродинамические приборы могут быть использованы в цепях как постоянного, так и переменного тока. Во втором случае при синусоидальных токах вращающий момент определяется по формуле где I1, I2 – действующие значения переменных токов в катушках;  – угол сдвига фаз между токами в катушках. На базе ЭД механизма выпускаются амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры. Амперметры и вольтметры. Схема с последовательным соединением катушек, приведенная на рис. 3.10, а, применяется в миллиамперметрах. Схема рис. 3.10, б с параллельным соединением катушек используется в амперметрах на токи более 0,5 А. Рис. 3.10. Схемы амперметра электродинамической системы: а — с последовательным соединением катушек; б — с параллельным В схеме вольтметра использовано последовательное соединение катушек (рис. 3.11). Рис. 3.11. Схема вольтметра электродинамической системы Резистор Ry служит для повышения входного сопротивления прибора. Добавочные резисторы Лд, и R,a обеспечивают возможность работы в нескольких диапазонах (значения номинальных входных напряжений UV3 > UV2 > Uyi). Здесь, как и в вольтметрах электромагнитной системы, индуктивное сопротивление катушек растет с ростом частоты измеряемого сигнала. Поэтому для поддержания полного комплексного сопротивления примерно постоянным в некотором диапазоне частот, как и в случае с ЭМ приборами, применяется частотная коррекция (конденсатор Ск и резистор RK). Ваттметры. На базе ЭД механизма выпускаются различные типы приборов, но основное применение этот принцип нашел в ваттметрах. Произведение двух токов в выражении вращающего момента является основой для построения ваттметров на основе ЭД механизмов. Если в одной катушке ток равен току, текущему в нагрузку, а во второй катушке ток пропорционален напряжению на нагрузке, то показания прибора будут пропорциональны активной мощности. Схема включения ваттметра приведена на рис. 3.12. Рис. 3.12. Схема ваттметра электродинамической системы Цепь катушки напряжения содержит элементы частотной коррекции (конденсатор Ск и резистор RK). Особенности ЭД приборов. К достоинствам ЭД приборов относятся следующие: высокая точность (до 0,1 %); возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе; амперметры и вольтметры этой системы реагируют на действующее значение переменного тока или напряжения. Недостатками являются: • сравнительно невысокая чувствительность; • возможное влияние внешних магнитных полей (что может потребовать экранирования механизма); • заметное влияние температуры окружающей среды на сопротивление катушек и, как следствие, на показания прибора; • значительная собственная мощность потребления энергии от источника сигнала; • нелинейная (квадратичная) шкала; • ограниченный частотный диапазон (1 ...5 кГц). Обозначение ЭД системы на шкалах приборов: Обозначение ЭД системы с магнитным экранированием механизма: Существует разновидность конструкции, в которой магнитные потоки катушек замыкаются не по воздуху, как в классическом варианте, а по вспомогательным магнитопроводам. Это так называемая ферродинамическая (ФД) система. Благодаря заметному уменьшению магнитного сопротивления значительно возрастает вращающий момент механизма, поэтому может быть снижена мощность собственного потребления прибора и (или) повышена его чувствительность. Кроме того, наличие магнитопроводов ослабляет влияние внешних магнитных полей и поэтому не требуется экранирование механизма. Правда, точность ФД приборов ниже, а диапазон частот несколько уже, чем у ЭД. Обозначение ФД системы на шкалах приборов: Главное применение ЭД и ФД приборов – работа в электрических цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Электростатические вольтметры Электростатические (ЭС) вольтметры применяются в основном для измерения напряжений в высоковольтных цепях как постоянного, так и переменного тока. Конструкция и принцип действия. Принцип действия устройства электростатического механизма основан на взаимодействии заряженных электродов. В основе конструкции этого ИМ (рис. 3.13) два электрода (алюминиевые пластины, между которыми воздушный зазор), образующих переменную емкость. Измеряемое напряжение U подается на неподвижную пластину 7, образующую своеобразную камеру, и подвижную 2, закрепленную на оси 3. Спиральная пружина 4 служит для создания противодействующего момента Мпр. Стрелка 5 и шкала 6 образуют отсчетное устройство. Подведенное к пластинам напряжение U создает между пластинами электрическое поле. Под действием электростатических сил притяжения подвижная пластина втягивается в камеру неподвижной пластины, поворачивая при этом ось со стрелкой. Чем выше приложенное (измеряемое) напряжение U, тем глубже входит подвижная пластина внутрь неподвижной (увеличивается площадь перекрытия пластин) и тем больше угол поворота. Геометрия подвижной пластины выбирается такой, чтобы повысить линейность (равномерность) шкалы прибора. Рис. 3.13. Устройство электростатического механизма: 1 — неподвижная пластина; 2 — подвижная пластина; 3— ось; 4— спиральная пружина; 5 — стрелка; 6 — шкала Вращающий момент М равен производной энергии этой электромеханической системы по углу поворота : где U – напряжение на пластинах; С – емкость между пластинами;  – угол поворота оси сердечника. Противодействующий момент определяется по формуле Mпр =  где  – удельный противодействующий момент. Моменты М и Мпр направлены навстречу друг другу. С ростом угла поворота  противодействующий момент Мпр пропорционально растет. Это происходит до тех пор, пока моменты не станут равными. При М= Мпр Следовательно, уравнение шкалы ЭС вольтметра имеет вид Из последнего уравнения следует, во-первых, что ЭС приборы могут измерять напряжение в цепях и постоянного, и переменного тока, а во-вторых, что шкала у ЭС вольтметров – нелинейная (квадратичная). Расширение диапазонов измерения ЭС вольтметров можно выполнять несколькими способами. На постоянном токе это делается с помощью резистивного делителя напряжения (рис. 3.14, а). На переменном токе используют емкостной делитель напряжения (рис. 3.14, б) или, в крайнем случае, добавочный конденсатор (рис. 3.14, в), который совместно с емкостью самого ЭС механизма также создает делитель напряжения. Рис. 3.14. Способы расширения диапазонов измерения ЭС вольтметра с помощью: а – резистивного делителя; б – емкостного делителя; в – добавочного конденсатора Особенности ЭС вольтметров. К достоинствам ЭС вольтметров можно отнести следующие: • высокое входное сопротивление (на постоянном напряжении – практически бесконечное, а на низких и средних частотах составляет десятки мегаом и более), что означает чрезвычайно малое собственное потребление энергии от источника измеряемого напряжения; • реакция на среднее квадратическое (действующее) значение напряжения не зависит от формы сигнала; • широкий диапазон частот измеряемых напряжений (единицы – десятки мегагерц); • сравнительно высокая точность (типичные классы точности 1,0... 1,5); • простая конструкции и, следовательно, достаточная надежность. Недостатки ЭС вольтметров: • нелинейная шкала; • малая чувствительность; • возможное значительное влияние внешних электрических полей, требующее экранирования механизма. Основное применение ЭС вольтметров – измерения в высоковольтных цепях, в маломощных цепях, а также в цепях с высокочастотными сигналами. Обозначение вольтметров ЭС системы на шкалах: Обозначение ЭС вольтметров с экранированным ИМ: Приборы индукционной системы Конструкция и принцип действия. Принцип действия индукционных приборов основан на взаимодействии двух или нескольких переменных магнитных потоков с токами, индуцированными в подвижном проводнике (например, диске). Типичным представителем этой системы является классический индукционный счетчик – измеритель активной энергии. Рассмотрим устройство и принцип действия индукционного однофазного счетчика активной энергии. На рис. 3.15 показана упрощенная конструкция такого прибора. Основными элементами являются два магнитопровода со своими обмотками (напряжения и токовой), вращающийся диск и счетный механизм. Как и ваттметр, счетчик содержит обмотки тока и напряжения. Включается счетчик в цепь так же, как и ваттметр. Схема (рис. 3.16) и векторная диаграмма (рис. 3.17) поясняют принцип действия этого прибора. Рассмотрим работу счетчика на примере входных сигналов напряжения и тока синусоидальной формы с действующими значениями, равными, соответственно, U и I. Входное напряжение U, приложенное к обмотке напряжения 2, создает в ней ток IU, имеющий по отношению к напряжению U сдвиг по фазе, близкий к 90° (из-за большого индуктивного сопротивления этой обмотки). Ток IU рождает магнитный поток ФU в среднем сердечнике магнитопровода обмотки напряжения 1. Этот поток ФU делится на два потока: нерабочий поток ФU1, который замыкается внутри магнитопровода 1; и основной поток ФU2, пересекающий диск 6, закрепленный на оси 7 и вращающийся вместе с нею. Этот основной поток замыкается через противополюс 5. Рис. 3.15. Упрошенная конструкция индукционного однофазного счетчика Рис. 3.16. Схема, поясняющая принцип действия счетчика: 1 – магнитопровод обмотки напряжения; 2 – обмотка напряжения; 3 – магнито- провод обмотки тока; 4 – обмотка тока; 5 – противополюс; 6 – диск; 7 – ось; 8 – червячная передача; 9 – счетный механизм Входной ток I, текущий в обмотке тока 4, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток ФI, который дважды пересекает диск 6. Поток ФI отстает от тока I на небольшой угол потерь аI, (поскольку сопротивление токовой обмотки мало). Таким образом, диск пересекают два магнитных потока ФU2 и ФI, не совпадающих в пространстве и имеющих фазовый сдвиг . При этом в диске возникает вращающий момент М: где с – некая константа; f – частота напряжения. При работе на линейном участке кривой намагничивания материалов магнитопроводов можно считать, что где k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности; ZU – полное комплексное сопротивление обмотки напряжения. Учитывая, что реактивная (индуктивная) составляющая сопротивления обмотки напряжения ZU гораздо больше активной, можно записать где LU – индуктивность обмотки напряжения. Тогда где Следовательно, вращающий момент М в данной электромагнитной механической системе можно определить следующим образом: где k – общий коэффициент пропорциональности. Для того чтобы вращающий момент был пропорционален текущей активной мощности, необходимо выполнение условия А это в свою очередь будет выполняться, если  +  = 90°. Это равенство может быть обеспечено изменением (регулировкой) угла потерь I. Изменение этого угла реализуется двухступенчато: грубо – изменением числа короткозамкнутых витков, надетых на магнитопровод 3, а плавно – изменением сопротивления вспомогательной цепи (эти элементы конструкции на рис. 3.15 и 3.16 не показаны). Таким образом обеспечивается пропорциональность вращающего момента М текущему значению активной мощности. Для получения результата определения потребленной активной энергии достаточно проинтегрировать значения текущей мощности. Это интегрирование реализовано счетным механизмом 9, связанным с осью 7 червячной передачей 8. Постоянный магнит служит для создания тормозного момента и обеспечения угловой скорости вращения, пропорциональной текущему значению активной мощности. Кроме того, в реальной конструкции есть элементы, обеспечивающие дополнительный момент, компенсирующий момент трения, а также элементы устранения «самохода» (на рис. 3.15 и 3.16 не приведены).