Электромеханические измерительные приборы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Минобрнауки России

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра Теоретических основ радиотехники

Отчет

по лабораторной работе

по дисциплине «Основы метрологии и радиоизмерений»

Тема: «Электромеханические измерительные приборы»

Дементьев И.А.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы

Изучение устройства, основных технических характеристик и применений электромеханических измерительных приборов магнитоэлектрической, электродинамической и электромагнитной систем. Измеряются постоянные и переменные напряжения и токи, анализируются погрешности измерений. Исследуется частотная зависимость показаний электромагнитного амперметра и производится косвенное измерение сопротивлений.

Краткие сведения об электромеханических измерительных приборах

Электромеханические приборы применяют для измерения напряжения, тока, мощности и других электрических величин в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Название электроизмерительного прибора определяется его назначением. Различают вольтметры, амперметры, ваттметры, омметры, фазометры и комбинированные приборы - ампервольтметры, вольтомметры и другие.

По принципу действия электромеханические приборы делятся на приборы магнитоэлектрической, электродинамической, ферродинамической, электромагнитной, электростатической, индукционной и некоторых других систем, используемых реже. Принадлежность прибора к той или иной системе обозначается условным значком на его шкале.

Метрологические свойства прибора характеризуют его класс точности. Он обозначается числом на шкале прибора и указывает предел приведенной погрешности прибора, выраженный в процентах.

Основой электромеханического прибора является измерительный механизм (ИМ), имеющий отсчетное устройство, неподвижную и подвижную части и демпфер для успокоения собственных колебаний последней. Кроме ИМ прибор может содержать шунты и добавочные резисторы, расширяющие пределы измерения и размещенные в том же корпусе. На подвижную часть ИМ действует вращающий момент, возникающий под действием токов и напряжений, функционально связанных с измеряемой величиной. Для его уравновешивания используются спиральные пружинки или растяжки, создающие противодействующий момент, пропорциональный углу поворота подвижной части.

Устройство магнитоэлектрического ИМ показано на рис. 1.1. Работа его основана на взаимодействии подвижной рамки 5, обтекаемой током, с полем постоянного магнита 1. Это поле с помощью магнитопровода 2, полюсных наконечников 3 и цилиндрического сердечника 4, изготовленных из магнитомягкого материала, концентрируется в зазоре, где движется рамка 5, соединенная полуосью 8 со стрелкой 6. Рамка 5 намотана на легкий алюминиевый каркас, в котором при движении возникают вихревые токи, способствующие успокоению ее колебаний. Ток подводится к рамке через спиральные пружинки 7, создающие противодействующий момент.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При протекании по обмотке рамки постоянного тока на нее действует вращающий момент



, (1.1)

где - индукция магнитного поля в зазоре; - площадь рамки; n - число витков обмотки рамки.

Учитывая, что противодействующий момент пропорционален углу поворота рамки, из выражения (1.1) можно найти угол отклонения, при котором наступает равновесие подвижной части ИМ,

, (1.2)

где - коэффициент, зависящий от упругости пружинки. Коэффициент пропорциональности между углом отклонения и силой тока называется чувствительностью ИМ по току. Как следует из (1.2), при постоянстве индукции в зазоре чувствительность магнитоэлектрического ИМ постоянна и шкала линейна.

При протекании по обмотке рамки меняющегося во времени тока i(t) выражение (1.1) будет описывать связь мгновенных значений тока рамки и действующего на нее вращающего момента.

Если частота изменения тока намного меньше частоты собственных механических колебаний подвижной части ИМ, то отклонение рамки определяется мгновенными значениями ее тока. Такой режим работы характерен для регистрирующих приборов, например самописца.

Частота собственных механических колебаний рамки мала, и в большинстве случаев при проведении радиоизмерений частота тока рамки значительно превосходит ее. В этом случае угол отклонения рамки пропорционален среднему значению тока рамки (его постоянной составляющей)



, (1.3)

где - период измеряемого тока или интервал усреднения, определяемый постоянной времени подвижной части ИМ, для непериодических токов.

Магнитоэлектрические приборы для измерения постоянных токов и напряжений строятся по схемам, изображенным на рис. 1.2.

Непосредственно магнитоэлектрический ИМ, без дополнительных элементов, используют для измерения малых токов (рис. 1.2, а) и напряжений. При измерении токов ИМ включают последовательно с сопротивлением нагрузки R_н. Для измерения значительных токов используют схему (рис. 1.2, б) с параллельным резистором - шунтом , по которому течет большая часть измеряемого тока. Предел измерения тока амперметра с шунтом определяется следующим образом:

, (1.4)

где R_р - сопротивление рамки ИМ; - ток полного отклонения рамки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Схемы включения магнитоэлектрических измерительных механизмов

Для расширения диапазона измеряемых напряжений используют добавочные резисторы (рис. 1.2, в). ИМ с последовательно включенным с ним добавочным резистором подключают к клеммам, на которых измеряется напряжение (параллельное включение). При этом предел измерения

. (1.5)

Для измерения переменных токов совместно с магнитоэлектрическим ИМ используют дополнительные диодные выпрямители. Это позволяет измерять средневыпрямленное значение тока

,

.

Свойства магнитоэлектрических приборов. При работе с переменными токами приборы измеряют только постоянную составляющую протекающего через прибор тока (1.3). В магнитоэлектрическом ИМ применяют постоянные магниты с высоким значением магнитной индукции B, что обеспечивает высокую чувствительность механизма. По той же причине этот ИМ мало чувствителен к внешним магнитным полям. Кроме того, на магнитоэлектрический ИМ не действуют высокочастотные наводки.

Магнитоэлектрические ИМ относятся к наиболее точным электромеханическим механизмам. При использовании в них высокостабильных магнитов могут быть созданы приборы классов точности вплоть до 0,05.

К недостаткам приборов этой системы можно отнести их относительно высокую стоимость и малую стойкость к перегрузкам, обусловленную тем, что рамка ИМ, наматываемая тонким проводом, при сильных токах может выгорать.

Электродинамические электроизмерительные приборы

Устройство электродинамического ИМ поясняется рис. 1.3, а. Работа его основана на взаимодействии магнитных полей неподвижной и подвижной катушек с токами, взаимное расположение которых поясняется рис. 1.3, б. Неподвижную катушку 1 выполняют обычно из двух частей, между которыми проходит ось с закрепленной на ней подвижной катушкой (рамкой) 2 и стрелкой 3. Спиральная пружинка 4 служит для создания противодействующего момента и подвода тока к рамке. Для уменьшения времени успокоения колебаний подвижной катушки применяют воздушный успокоитель.

Для получения зависимости угла поворота рамки электродинамического ИМ от токов, протекающих через его катушки, используют следующее обобщенное выражение вращающего момента, справедливое для всех электромеханических ИМ:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



, (1.6)

где - работа, совершаемая при повороте рамки на угол ; - энергия электромагнитного поля в ИМ. Для электродинамического ИМ

, (1.7)

где и - индуктивности подвижной и неподвижной катушек соответственно; и - мгновенные значения токов, протекающих через катушки; - взаимная индуктивность катушек.

При повороте рамки изменение энергии электромагнитного поля происходит за счет изменения взаимной индуктивности подвижной и неподвижной катушек. Используя (1.6) и (1.7), можно показать, что

(1.8)

где W и Т имеют тот же смысл, что и в формулах (1.2) и (1.3).

Электродинамические приборы строятся по схеме с последовательным, параллельным или независимым включением катушек, что иллюстрируется рис. 1.4 а, б, в, где показаны схемы вольтметра, амперметра и ваттметра соответственно средней за период активной мощности.

Используя (1.8), можно показать, что для схемы, изображенной на рис. 1.4, а,

, (1.9)

где - среднеквадратическое значение измеряемого напряжения. Подбирая форму и взаимное расположение катушек, стремятся выполнить следующее условие, при котором угол отклонения рамки пропорционален :

(1.10)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.4. Схемы включения электродинамических измерительных механизмов

Для схемы, изображенной на рис. 1.4, б, можно таким же образом получить

, (1.11)

где - постоянный коэффициент; - среднеквадратическое значение измеряемого тока . Ввиду того, что выражение (1.11) подобно (1.9), условие линеаризации шкалы в этом случае будет аналогично (1.10).

Для схемы, изображенной на рис. 1.4, в,

, (1.12)

где - активная мощность в нагрузке . Из выражения (1.12) следует условие линеаризации шкалы ваттметра , при выполнении которого отклонение рамки прибора пропорционально .

На практике удается сделать шкалу электродинамических приборов равномерной начиная с 15-20% от конечного ее значения.

Свойства электродинамических приборов. Электродинамические амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое значение тока или напряжения и поэтому могут использоваться для измерений в цепях не только постоянного, но и переменного тока.

Электродинамические приборы являются наиболее точными среди других приборов переменного тока, поскольку в них отсутствуют ферромагнитные элементы, а следовательно, отсутствуют и погрешности, связанные с нелинейностью и нестабильностью ферромагнетиков. Класс точности этих приборов - до 0,05. Столь малая погрешность, однако, наблюдается только на низких частотах (до 1,5 кГц), где не сказывается влияние индуктивности катушек.

К недостаткам приборов этой системы следует отнести чувствительность к внешним магнитным полям и наводкам, что требует тщательной экранировки. Кроме того, чувствительность у электродинамических приборов меньше, чем у приборов магнитоэлектрических. Это вызвано невозможностью существенного увеличения параметра в системе связи катушек.

1.1.3. Электромагнитные электроизмерительные приборы

Устройство электромагнитного ИМ показано на рис. 1.5. Работа его основана на взаимодействии подвижного ферромагнитного сердечника 2, укрепленного вместе со стрелкой 4 на оси 3, с неподвижной катушкой 1, обтекаемой током. Спиральная пружинка 5 используется здесь только для создания противодействующего момента. Успокоение колебаний подвижной части происходит за счет вихревых токов, возникающих в ферромагнитном сердечнике 2.

Для вывода зависимости угла поворота подвижной части такого прибора от протекающего через катушку тока можно воспользоваться (1.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учитывая, что при повороте сердечника изменение происходит только за счет изменения индуктивности катушки L, можно показать, что , где - среднеквадратическое значение тока, протекающего через катушку. Подбирая форму подвижного сердечника, стремятся выполнить условие , при котором угол отклонения подвижной части пропорционален среднеквадратическому значению тока в катушке.

Электромагнитные приборы включаются в цепь по тем же схемам, что приборы магнитоэлектрические (см. рис. 1.2).

Свойства электромагнитных приборов. Как и электродинамические приборы, электромагнитные амперметры и вольтметры измеряют среднеквадратическое значение тока или напряжения и могут использоваться для измерений в цепях постоянного и переменного тока.

Основное достоинство электромагнитных приборов - простота конструкции и связанная с этим высокая надежность и низкая стоимость. Кроме того, эти приборы довольно стойки к перегрузкам. Все это обусловило широкое применение электромагнитных приборов для контроля токов и напряжений в различных силовых цепях.

Существенным недостатком приборов этой системы является низкая точность и малая чувствительность, а также подверженность влиянию внешних магнитных полей.

Погрешности электроизмерительных приборов

Для характеристики точности электроизмерительных приборов используют приведенную погрешность, определяемую как отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, которое принимают обычно равным конечному значению рабочей части шкалы прибора. Предел приведенной погрешности определяет класс точности прибора.

Предел относительной погрешности (%) прибора определяется выражением

, (1.13)

где C - класс точности прибора; - предел измерений величины X; - измеренное значение этой величины. Погрешность имеет систематическую и случайную составляющие.

Из-за конечной величины внутреннего сопротивления прибора при включении его в цепь происходит нарушение режима работы цепи. Это вызывает методическую погрешность измерений. Так, при измерении тока в нагрузке амперметром с внутренним сопротивлением относительная методическая погрешность (%)

. (1.14)

Основная составляющая погрешности обусловлена нестабильностью градуировки из-за температурных уходов и старения деталей ИМ, шунтов и дополнительных резисторов, трением в опорах подвижной части ИМ и другим факторам. Эта погрешность может иметь как случайную, так и систематическую составляющие.

При измерении переменных токов и напряжений электродинамическими приборами из-за влияния индуктивности их катушек возникает погрешность, зависящая от частоты. Так, показания электромагнитного амперметра зависят от частоты f следующим образом:

, (1.15)

где - показания прибора на низкой частоте; и - индуктивность и активное сопротивление катушки прибора; - сопротивление нагрузки, через которое протекает ток. При этом и сами зависят от частоты, но на низких частотах этим можно пренебречь



Ход выполнения работы

1. Измерение постоянного тока и напряжения

Rн	Uн, В	?U, %	Положение переключателей S4 и S5
			S4 и S5 выключены (разомкнуты)	S4 - вкл.
				S5 - вкл.
			Iр1,	Iр2,	?Iр2,	?Iр2М,	Iр3,	?Iр3,	?Iр3М,	Iр1,	?Iр1,
			А	А	%	%	А	%	%	А	%
Rн1	51	2,37	85	0,86	2.8	1.25	0,86	2.8	6.85	89	1.12
Rн2	57	2,12	74	0,76	3.25	1.03	0,75	3.33	5.76	77,5	1.28
Rн3	61	1,95	65	0,67	3.52	0.79	0,66	3.73	4.59	67,5	1.47
Rн4	69	1,74	49	0,51	4.63	0.55	0,51	4.72	3.18	51	1.96
Rн5	80	1,49	27	0,29	8.05	0.27	0,31	8.05	1.59	28	3.63

(1.13)

(1.14)

. (1.4)

. (1.5)

Rд2 = 29,3 кОм	C P1=1,0
Rд3 = 79,3 кОм	C P2=2,5
Rш = 0,069 Ом	C P3=2,5
Rр1 = 688 Ом
Rр2 = 0,06 Ом
Rр3 = 0,35 Ом
Lр3 = 81 мкГн
Iрmax= 100 мкА

Большая величина методической погрешности измерения токов и напряжений обусловлена малым соотношением , чем выше сопротивление нагрузки по сравнению с сопротивление рамки измерительного прибора, тем ниже методическая погрешность.

Также относительная погрешность растет если измерять токи и напряжения в нижней шкале остается большой при измерении При измерении значений токов

2. Измерение среднего и среднеквадратического значений пульсирующего и переменного тока.

Рассчитайте предел относительной погрешности всех измерений исходя из класса точности приборов, как и в 1.4.1.

Положение переключателя S1	Uн, В	U, %	Iр2, А	Iр2, %	Iр3, А	Iр3, %
3	0	0	0	0	0,92	2.55
4	48	48	0,8	2.8	0,92	2.6
5	23	23	0,4	5.67	0,65	3.73

(1.13)

. (1.4)

. (1.5)

электромеханический напряжение ток погрешность

3. Исследование частотной зависимости показаний электромагнитного амперметра

f, кГц	0,05	0,5	2	5	10	15	20
Iр3, А (эксперимент)	1	0,99	0,95	0,825	0,65	0,525	0,4
Iр3, А (расчет)	1	0.99	0,99	0,92	0,49	0,31	0,19

, (1.15)



Rр3 = 0,35 Ом
Lр3 = 81 мкГн
Rн2=4,64 Ом

При измерении переменных токов и напряжений электродинамическими приборами из-за влияния индуктивности их катушек возникает погрешность, зависящая от частот. С ростом частоты увеличивается сопротивление рамки ИМ, что приводит к увеличению погрености измерения.

4. Расчет сопротивлений нагрузки

Параметр	Измеренные величины
	Rн1	Rн2	Rн3	Rн1	Rн5
Сопротивление, Ом	4,64	5,73	7,14	10,46	21,06
Относительная погрешность, %	2,10	2,05	2,06	2,25	3,34

(1.17)

Погрешности, измеренных токов и напряжений, складываются при косвенном методе измерения сопротивления.



Вывод

В данной лабораторной работе были изучены устройства, основные технические характеристики и применения электромеханических приборов разных систем. Также были измерены постоянные и переменные напряжения и токи, анализированы погрешности. Мы исследовали частотную зависимость показаний электромагнитного амперметра и произвели косвенное измерение сопротивлений.

Размещено на Allbest.ru

...