Электроизмерительные приборы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Электроизмерительные приборы

1. Приборы магнитоэлектрической системы

Действие приборов магнитоэлектрической системы основано на взаимодействии магнитного потока постоянного магнита и измеряемого тока, проходящего по обмотке подвижной катушки, помещенной в этом магнитном поле (рисунок 1).

Основными частями прибора являются постоянный магнит 2, между полюсами 1 которого укреплен ферромагнитный сердечник 3 цилиндрической формы. Сердечник предназначен для уменьшения магнитного сопротивления между полюсами и обеспечения равномерного распределения магнитного потока в воздушном зазоре. В воздушном зазоре между полюсами постоянного магнита и сердечником расположена катушка 4, которая жестко связана с осью и стрелкой, перемещающейся своим концом по шкале прибора. При прохождении тока через катушку возникает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. магнитный энергия ток трансформатор

Электромагнитный вращающий момент, действующий на катушку, пропорционален силе тока и магнитной индукции в воздушном зазоре. Так как магнитное поле в воздушном зазоре распределено равномерно и направлено радиально, а противодействующий момент, создаваемый пружинами, пропорционален углу поворота подвижной части прибора, то угловое отклонение стрелки пропорционально измеряемому току, то есть oc=SI, где S - чувствительность прибора.

Достоинства приборов магнитоэлектрической системы: высокая чувствительность, большая точность, относительно небольшое влияние внешних магнитных полей, малое потребление энергии, малое влияние температуры, равномерность шкалы.

Рисунок 1

Недостатки: работает только в цепи постоянного тока, чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, обусловленная сложностью конструкции.

Электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в качестве амперметров и вольтметров. Магнитоэлектрический прибор является составной частью омметра, с помощью которого непосредственно измеряют электрическое сопротивление.

Применяя термопреобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы используют для измерений в цепях переменного тока.

Почти все технические измерения в цепях постоянного тока осуществляются приборами данной системы. Лишь в немногих случаях, когда значение имеет не точность, а дешевизна и надежность приборов, постоянный ток измеряется электроизмерительными приборами электромагнитной системы.

2. Приборы электромагнитной системы

Действие приборов электромагнитной системы основано на взаимодействии магнитного поля тока неподвижной катушки 1 и сердечника 2 из ферромагнитного материала, выполненного в форме пластины (рисунок 2). Созданное измеряемым током магнитное поле катушки намагничивает сердечник и втягивает его в катушку, поворачивая при этом стрелку, укрепленную на одной оси с сердечником. При изменении направления тока в катушке меняются и магнитные полюса сердечника, следовательно, направление перемещения подвижной частей остается неизменным, и прибор оказывается пригодным для измерения в цепях как постоянного, так и переменного токов. Угол поворота а стрелки прибора определяется по формуле

где I - ток, протекающий по катушке; L-индуктивность катушки; k - постоянный коэффициент.

Противодействующий момент создается пружиной 3, воздушный успокоитель 4 обеспечивает плавное перемещение стрелки.

Так как угол поворота стрелки пропорционален квадрату силы тока, а производная индуктивности катушки является величиной непостоянной, то шкала прибора оказывается неравномерной.

Рисунок 2

Достоинства приборов электромагнитной системы: пригодность для работы в цепях постоянного и переменного токов, простота и надежность конструкции, дешевизна, устойчивость к перегрузкам.

Недостатки: чувствительность к внешним магнитным полям, сравнительно большая потребляемая мощность, относительно низкие чувствительность и точность.

Область применения: в качестве амперметров и вольтметров для технических измерений.

В лабораторных приборах высокого класса точности для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяют экранирование.

3. Устройство и принцип работы гальванометра

Гальванометрами называются приборы, которые служат для измерения слабых токов (до 10-11А), малых напряжений (до 10-8В) и количества электричества (до 10-9Кл), протекающего в цепи за промежуток времени, значительно меньший, чем период собственных колебаний рамки гальванометра. Принцип действия гальванометра магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и тока, протекающего в обмотке подвижной рамки. Подвижная рамка 1 (рис.3), на которой намотано несколько слоев тонкой медной проволоки, подвешена на упругой нити 2 из фосфористой бронзы и может вращаться между полюсами постоянного магнита. Нить 2 одновременно служит для подвода тока. К другому концу рамки ток подводится по мягкой металлической ленточке 3, которая не оказывает упругого сопротивления вращению рамки. Для определения угла поворота рамки на нити подвеса 2 укреплено легкое зеркало 4, которое вращается вместе с рамкой. Луч света от источника S достигает зеркала, отражается от него и попадает на шкалу 5. При повороте рамки световая полоска перемещается по шкале. При протекании тока через обмотку рамка испытывает вращающий момент 1M сил, действующих на ток в магнитном поле, и стремится расположиться так, чтобы ее магнитный момент был направлен вдоль вектора магнитной индукции поля. Рамка будет поворачиваться до того времени, пока вращающий момент 1Mне будет скомпенсирован упругим моментом 2М, возникающим при закручивании нити, на которой подвешена рамка. В результате рамка поворачивается на некоторый угол.

Рисунок 3

Электромагнитные приборы относятся к числу наиболее простых электроизмерительных приборов (рис. 3). В этих приборах ток проходит по катушке 1 и создает магнитное поле, стремящееся втянуть внутрь катушки сердечник в виде пластинки из мягкой стали 3, укрепленной на оси 2 со стрелкой. Чем больше ток, тем сильнее втягивается сердечник и тем больше отклоняется стрелка. В нулевом положении подвижная система удерживается спиральной пружинкой.

Чтобы стрелка после отклонения не колебалась, в приборе обычно используется воздушный или магнитный успокоитель (демпферы).

Воздушный успокоитель состоит из трубки 5, в которой двигается поршень 4 (рис. 4), соединенный с подвижной системой. Между поршнем и стенками трубки имеется воздушный зазор. Воздух сопротивляется движению поршня и успокаивает подвижную систему.

В магнитном успокоителе колебания тормозятся за счет взаимодействия вихревых токов с полем постоянных магнитов.

Шкала электромагнитных приборов неравномерная. В начале шкалы деления мелкие, затем они увеличиваются. Втягивание катушки в сердечник не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного токов.

Электромагнитные приборы обладают небольшой чувствительностью и их, поэтому не изготовляют для измерения малых токов и напряжений.

Рисунок 4

4. Электродинамический измерительный прибор

Измерительный прибор, принцип действия которого основан на механическом взаимодействии двух проводников при протекании по ним электрического тока. Э. п. состоит из измерительного преобразователя (См. Измерительный преобразователь), преобразующего измеряемую величину в переменный или постоянный ток, и измерительного механизма электродинамической системы (рис.). Наиболее распространены Э. п. с подвижной катушкой, внутри которой на оси со стрелкой расположена подвижная катушка. Вращающий момент на оси возникает в результате взаимодействия токов в обмотках катушек 1 и 2 и пропорционален произведению действующих значений этих токов. Уравновешивающий момент создаёт пружина, с которой связана ось. При равенстве моментов стрелка останавливается.

Э.п. -- наиболее точные электроизмерительные приборы, применяемые для определения действующих значений тока и напряжения в цепях переменного и постоянного тока. При последовательном соединении обмоток катушек угол поворота стрелки пропорционален квадрату измеряемой величины. Такое включение обмоток применяется в Э. п. для измерения напряжения и силы тока (Вольтметры и Амперметры). Электродинамические измерительные механизмы используют также для измерения мощности (Ваттметры). При этом через неподвижную катушку пропускают ток, пропорциональный току, а через подвижную -- ток, пропорциональный напряжению в измеряемой цепи. Показания прибора пропорциональны активному или реактивному значению электрической мощности. В случае исполнения электродинамических механизмов в виде Логометров их применяют как частотомеры, фазометры и фарадометры. Э. п. изготовляют главным образом переносными приборами высокой точности -- классов 0,1; 0,2; 0,5. Разновидность Э. п. -- ферродинамический прибор, котором для усиления магнитного поля неподвижной катушки применяют магнитопровод из ферромагнитного материала. Такие приборы предназначаются для работы в условиях вибрации, тряски и ударов. Класс точности ферродинамических приборов 1,5 и 2,5.

Электродинамический измерительный прибор: 1 и 2 -- неподвижная и подвижная катушки; 3 -- ось; 4 -- пружина; 5 -- стрелка; 6 -- шкала.

Электродинамический прибор

Основными частями электродинамического прибора (рис. 5) являются: неподвижная катушка 2 и подвижная катушка 1, расположенная на оси 6, к которой прикреплена стрелка 5.

Рисунок 5

Ось связана с алюминиевым крылом воздушного успокоителя 4, помещающегося в камере 3. Ток к подвижной катушке подводится через спиральные пружины 7, создающие противодействующий момент. С нижней пружиной соединен корректор 8.

Работа приборов электродинамической системы основана на взаимодействии токов в двух обмотках. Сила этого взаимодействия поворачивает подвижную обмотку вместе с осью и стрелкой. Угол поворота зависит от силы тока, протекающего по обмоткам, и силы противодействия спиральных пружин.

Электродинамические приборы можно применять в цепях постоянного и переменного тока. Это объясняется тем, что изменение направления переменного тока происходит одновременно в обеих катушках, вследствие чего направление силы взаимодействия между ними остается неизменным.

Электродинамические приборы употребляют для измерения силы тока, напряжения и мощности.

К преимуществам приборов этой системы наряду с возможностью использования их в цепях постоянного и переменного тока относится высокая точность. Недостатками их являются: влияние внешних магнитных полей на результаты измерения, большое собственное потребление мощности, относительно малая устойчивость к перегрузкам, малая чувствительность и высокая стоимость. Разновидностью приборов электродинамической системы являются широко распространенные, главным образом в качестве щитовых ваттметров,

Ферродинамические приборы (рис. 6), действие которых основано на том же принципе.

Рисунок 6

Однако в отличие от приборов электродинамической системы у ферродинамических приборов неподвижные обмотки помещаются на стальном сердечнике, который усиливает магнитное поле и вращающий момент прибора, а также уменьшает влияние внешних магнитных полей на его показания. Катушки электродинамических приборов соединяются между собой в зависимости от их назначения. В амперметрах катушки в большинстве случаев соединяют параллельно, в вольтметрах -- последовательно, а в ваттметрах одна катушка включается в цепь последовательно, как амперметр, а другая -- параллельно нагрузке, как вольтметр.

5. М3-52 измеритель мощности

При помощи приборов М3-52 можно с высокой точностью измерять мощность синусоидальных сигналов и среднее значение мощности импульсно-модулированных СВЧ сигналов в коаксиальных и волноводных трактах.

Каждый ваттметр состоит из измерительного блока Я2М-66 и выносного приемного преобразователя СВЧ мощности. Измерительный блок с цифровой индикацией обладает высокой точностью измерений и малым дрейфом нуля. Имеет выход на самописец и ЦПМ.

Принцип действия ваттметров основан на преобразовании СВЧ мощности в тепловой вид энергии и измерении образуемой на выходе приемного преобразователя термоЭДС.

Особенностью ваттметров является то, что при работе в течение длительного времени нет необходимости в перекалибровке. Управление работой ваттметров может осуществляться вручную, полуавтоматически и дистанционно.

Электростатические приборы betweendigital

Принцип действия электростатического измерительного механизма основан на взаимодействии двух систем заряженных пластин, одна из которых подвижна. Неподвижная система состоит из двух параллельных металлических пластин 1 (рис. 7), а подвижная -- из секторообразных алюминиевых пластин 2, укрепленных на оси 5, на которой установлен стрелочный указатель 4 и один конец противодействующей пружины 3.

Рисунок 7

Схема измерительного механизма электростатического прибора: 1 -- неподвижная система пластин; 2 -- подвижная пластина; 3 -- противодействующая пружина; 4 -- стрелочный указатель; 5 -- ось

Если к неподвижным и подвижным пластинам подвести измеряемое напряжение U, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего подвижные пластины будут стремиться войти между неподвижными и занять такое положение, при котором энергия электрического поля W = 0,5 CU ' будет наибольшей (С -- емкость системы заряженных пластин). Поворот подвижных пластин, вызывает закручивание пружин, которые создают противодействующий момент.

Электростатические приборы применяют для измерения напряжения в цепях постоянного и переменного тока. Шкалы приборов неравномерны. Для приближения шкалы к равномерной изменяют форму подвижных и неподвижных пластин

На базе электростатических приборов в основном создают вольтметры для измерения напряжений 0,075--300 кВ из-за низкой чувствительности измерительного механизма.

Достоинства приборов -- малое потребление энергии, независимость показаний от частоты питающего тока, высокий класс точности (0,5--0,05). Недостатки приборов -- низкая чувствительность и слабое собственное электрическое поле, возможность пробоя между электродами, необходимость заземления экрана.

6. Цифровые измерительные приборы

Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называют приборы, содержащие аналого-цифровые преобразователи, устройства обработки цифровой информации и отображения результатов измерений в цифровой форме.

В настоящее время ЦИП занимают ведущее место на мировом рынке, хотя в промышленности еще имеется большой парк аналоговых измерительных приборов.

ЦИП имеют много достоинств:

- высокая точность измерений,

- широкий диапазон измеряемой величины,

- результат измерений в цифровой форме (возможность последующей обработки, сохранения, индикации),

- возможность внешнего управления, автоматизации и программирование процесса измерения. Обобщенная структурная схема ЦИП представлена на рис. 8.

Рисунок 8

Входное устройство по сигналу Блока управления (БУ) каждый цикл измерений преобразует измеряемый электрический сигнал u_x(t) в постоянное напряжение U₌ в определенном диапазоне значений, который зависит от значения u_x и выбранного предела измеряемой величины. В следующем цикле при изменении значения u_x изменяется значение U

АЦП - аналого-цифровой преобразователь преобразует циклически напряжение U₌ в цифровую форму U_D (коды значений U).

АЛУ - арифметико-логическое устройство выполняет операции с отдельным значениям U_D, полученным в цикле или с набором их значением в множестве циклов.

Блок управления синхронизирует процессы обработки сигналов. Таким образом, в любом ЦИП происходит два процесса:

- дискретизация - представление непрерывно изменяющихся значений напряжения измеряемой величины u_x в дискретный набор значений U_=t для отдельных моментов времени, определяемых циклами измерений (рис. 9,а),

- квантование - преобразование отдельного значения U_=t в цифровой код U_Dt. (рис. 9,б).

Токоизмеримтельные клемщи -- прибор для измерения тока без разрыва цепи в которой измеряется ток и без электрического контакта с ней.

Принцип действия основан на измерении магнитного поля, порождаемого измеряемым током.

Рисунок 9

Классические токоизмерительные клещи, часто называемые клещи Дитце, позволяют измерять только переменный ток и представляют собой по сути трансформатор тока с разъемным тороидальным или близким по форме к тороидальному ферромагнитным сердечником, окно которого при измерении охватывает провод с током. Такие клещи реагируют не на сам ток, а на скорость его изменения -- производную тока по времени.

Принцип работы современных токоизмерительных клещей основан на прямом измерении магнитного поля порождаемого током в проводнике вокруг проводника с помощью датчика Холла и позволяют измерять ток произвольной формы, в том числе и постоянный ток.

7. Клещи на основе трансформатора тока

Принцип действия токоизмерительных клещей -- трансформаторов тока основан на том, что ток, протекающий в проводе создаёт вихревое магнитное поле, силовые линии которого окружают проводник. На разъемном для возможности ввода проводника в окно магнитопровода, изготовленного из магнитомягкого ферромагнитного материала намотана вторичная обмотка, подключенная ко вторичному электроизмерительному прибору, шкала которого проградуирована в единицах тока. Таким образом, этот трансформатор тока имеет две обмотки, первичная -- один виток это провод с измеряемым током и многовитковую вторичную обмотку.

В соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея во вторичной обмотке наводится ЭДС, величина которой прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, охватываемого вторичной обмоткой. Так как величина этого потока прямо пропорциональна измеряемому току, то по измерениям этой ЭДС косвенно измеряют скорость изменения тока в проводе (производной по времени), а проинтегрировав эту ЭДС по времени можно получить истинное мгновенное значение тока в проводе.

Так как такие клещи применяются обычно для измерения токов промышленной частоты, частота которой отклоняется незначительно от номинальной (50 или 60 Гц), и форма тока близка к синусоидальной, с достаточной для практических измерений точностью можно считать, что среднеквадратическое значение этой ЭДС прямо пропорциональна среднеквадратическому значению измеряемого тока. Таким образом, измерив напряжение на вторичной обмотке, возможно определить действующее значение измеряемого тока.

Рисунок 10. Клещи с датчиком Холла

Магнитопровод таких клещей не отличается по конструкции от такового у клещей со вторичной обмоткой, но в размыкаемом зазоре магнитопровода помещают датчик, работа которого основана на эффекте Холла. Первичный ток порождает магнитное поле в магнитопроводе, величина которого прямо пропорциональна току, а не производной тока, как у трансформаторных клещей. Так как ЭДС датчика Холла прямо пропорциональна полю, то по измерениям ЭДС Холла можно косвенно измерить ток в проводе, причём форма тока не имеет значения, например, прямоугольный, произвольной формы или постоянный. Так как ЭДС Холла меняет знак при изменении направления поля, такое устройство позволяет измерить не только величину, но и направление измеряемого тока. В некоторых моделях таких клещей предусмотрена возможность подключения внешнего пояса Роговского, что позволяет измерять большие переменные токи (до 3000А) на проводниках крупного сечения, например, на шинах распределительных устройств.

Рисунок 11

8. Что такое датчик Холла

Магнитные датчики -- это твердотельные устройства, которые генерируют электрические сигналы, пропорциональные приложенному к нему магнитному полю. Эти электрические сигналы затем дополнительно обрабатываются специальной электронной схемой пользователя для получения желаемого выхода. В наши дни эти магнитные датчики способны реагировать на широкий спектр магнитных полей. Одним из таких магнитных датчиков является датчик Холла, выход которого (напряжение) зависит от плотности магнитного поля. Датчик может распознавать электрическое поле и измерять его напряжение. Если углубляться в сам процесс: то при помещении в магнитное поле проводника с постоянно идущим током в нём возникнет разность потенциалов (её и фиксирует датчик).Внешнее магнитное поле используется для активации этих датчиков эффекта Холла. Когда плотность магнитного потока в окрестности датчика выходит за пределы определенного порога, он обнаруживается датчиком. При обнаружении датчик генерирует выходное напряжение, которое также известно как напряжение Холла.

Рисунок 12

Датчик Холла присутствует в большинстве современных смартфонов. По сути в смартфонах датчик применяется в 2-ух ситуациях: в купе с магнитным помогает определять стороны света, быстро определять местоположение и для специальных чехлов. На них можно остановиться подробнее. В чехол встраивается магнит (иногда со спец. информацией) и когда Вы его открываете/закрываете смартфон соответственно включается/блокируется. При этом если чехол имеет "окошко" или другие особенности смартфон подстраивается под него.

Размещено на Allbest.ru