 |
Электродинамические измерительные механизмы.
|
|
|
|
В электродинамических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия магнитных полей неподвижной и подвижной – катушек с токами (рис. 2. 6).
Неподвижная катушка I обычно состоит из двух одинаковых частей, разделенных воздушным зазором. От расстояния между катушками зависит до некоторой степени конфигурация магнитного поля, что, как увидим далее, влияет на характер шкалы. Неподвижные катушки изготовляют из медного провода намоткой его на изоляционный каркас. Подвижная катушка 2 выполняется обычно бескаркасной из медного или алюминиевого провода. Для включения обмотки подвижной катушки в цепь измеряемого тока используются пружинки или растяжки.
Собственное магнитное поле электродинамических измерительных механизмов невелико, поэтому для защиты от влияния внешних полей применяются экранирование и астазирование. Нужная степень успокоения обеспечивается воздушным или магнитоиндукционным успокоителем.
При наличии тока в обмотках катушек измерительного механизма возникают силы, стремящиеся повернуть подвижную часть так, чтобы магнитные потоки неподвижных " и подвижных катушек совпали (рис. 2. 6).
Определим вращающий момент электродинамического измерительного механизма. Электромагнитная энергия двух контуров с токами:
где L1 и L2 — индуктивности неподвижных и подвижных катушек;
M1, 2 — взаимная индуктивность между ними.
Индуктивности катушек не зависят от угла поворота, поэтому:
(2. 8)
Если противодействующий момент создается упругими элементами, то для режима установившегося отклонения получим:
|
|
|
Откуда:
(2. 9)
Из уравнения (2. 9) следует:
1. При одновременном изменении направлений токов I1 и I2 знак угла отклонения не меняется. Поэтому приборы электродинамической системы могут применяться для измерений в цепях как переменного, так и постоянного тока.
2. Характер шкалы прибора зависит от произведения токов и от закона изменения взаимной индуктивности между неподвижными и подвижными катушками, т. е, от формы катушек и их взаимного расположения. Меняя зависимость 
от а, можно несколько улучшить шкалу, однако полностью равномерной для амперметров и вольтметров ее сделать не удается. Уравнение (2. 9) является общим для разных конструкций электродинамических измерительных механизмов.
Перейдем к рассмотрению случая включения измерительного механизма в цепь переменного тока. Пусть по катушкам протекают токи, сдвинутые по фазе на угол ψ:
Мгновенное значение вращающего момента:
(2. 10)
Из-за своей инерции подвижная часть не успевает следовать за мгновенными изменениями момента, а реагирует на среднее значение его, определяемое как
(2. 11)
Выражение (2. 11) показывает, что при включении электродинамического измерительного механизма в цепь переменного тока вращающий момент, а, следовательно, и угол отклонения определяются произведением действующих значений токов в обмотках на косинус угла между ними.
Для создания вращающего момента в электродинамических измерительных механизмах не используются ферромагнитные и вообще металлические элементы. Момент создается магнитными потоками, действующими в воздухе. Это исключает возможность возникновения различного рода погрешностей, связанных с появлением вихревых токов, гистерезисом и т. п. Поэтому электродинамические приборы могут быть выполнены одними из самых точных среди приборов, применяемых в настоящее время на переменном токе.
|
|
|
Электродинамические приборы изготовляются главным образом в виде переносных приборов высокой точности — классов 0, 1; 0, 2 и 0, 5. В качестве щитовых электродинамические приборы почти не применяются. Недостатком электродинамических приборов является большое потребление мощности. Следует отметить, что чем меньше потребление мощности электродинамическим прибором, тем слабее собственные магнитные поля и сильнее влияние внешних магнитных полей. Такие приборы требуют хорошей защиты от внешних магнитных полей, отличаются достаточно сложной конструкцией и сравнительно высокой стоимостью изготовления. Электродинамические приборы плохо переносят механические воздействия — удары, тряску и вибрацию.
Электродинамические приборы могут быть использованы для измерений в цепях постоянного и переменного тока до частот 2000— 3000 Гц, а в области расширенного значения частот — до 10 000— 20 000 Гц.
В настоящее время применяются электродинамические амперметры, вольтметры, ваттметры, а при исполнении измерительных механизмов в виде логометров — фазометры, частотомеры и. фарадметры.
Устройство электродинамического логометра показано на рис. 2. 7. Его подвижная, часть состоит из двух жестко скрепленных между собой под углом у подвижных катушек Б1 и Б2, находящихся в поле неподвижных катушек А. Катушки Б1 и Б2, посредством безмоментных токоподводов включаются в цепь по схеме, зависящей от назначения прибора. Из рассмотрения направления действия сил (рис. 2. 7) следует, что момент М1 создается составляющей F1 cosα, a момент M2 — составляющей F2 cos(γ -α ).
На основании этого, а также из формулы (2. 11) средние значения моментов М1 и M2 за период:
где I—ток в последовательно и согласно включенных катушках А; I1 и I2 — токи в катушках Б1 и Б2.
Для установившегося равновесия М1 = M2. Если катушки выполнены так, что:
То
(2. 12)
и
(2. 13)
В самопишущих приборах, а также в приборах, предназначенных для работы в условиях вибраций, тряски и ударов, находят применение ферродинамические измерительные механизмы, отличающиеся от рассмотренных электродинамических 'измерительных механизмов тем, что у них неподвижные катушки расположены на сердечнике из ферромагнитного материала. Это приводит к значительному увеличению вращающего момента и уменьшению влияния внешних магнитных полей. Однако наличие в измерительном механизме нелинейного элемента (магнитопровода) снижает точность приборов. В ферродинамических измерительных механизмах (рис. 2. 8) сердечники набираются из пластин, которые выполняются из электротехнических сталей или из пермаллоев. Для уменьшения погрешностей от вихревых токов пластины изолируются друг от друга. Из тех же соображений подвижные катушки выполняются бескаркасными. Для успокоения в большинстве случаев применяются магнитоиндукционные успокоители.
|
|
|
Вращающий момент ферродинамического измерительного механизма возникает в результате взаимодействия подвижной катушки с током и потока, создаваемого неподвижными катушками. Если магнитное поле в воздушном зазоре радиально, то для определения мгновенного значения вращающего момента Mt можно воспользоваться выражением (2. 2). При этом будем иметь:
,
где Bt — мгновенное значение магнитной индукции в воздушном зазоре; s2, ω 2, i2 — соответственно площадь, число витков и ток подвижной катушки.
Из-за своей инерции подвижная часть будет реагировать на среднее значение момента:
(2. 14)
где В и I2 — действующие значения соответственно индукции в воздушном зазоре и тока в подвижной катушке.
Если допустить, что при работе используется линейный участок кривой намагничивания материала сердечника, то можно написать:
где k1 — коэффициент, зависящий от выбора системы единиц и конструктивных параметров измерительного механизма.
Подставляя полученное для В значение в выражение (2. 14) и пренебрегая углом потерь, т. е. считая, что 
, получим:
Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для режима статического равновесия:
|
|
|
,
Откуда:
, (2. 15)
где k — коэффициент, определяемый конструкцией измерительного механизма и выбором системы единиц.
Ферродинамические приборы используются чаще всего как стационарные, относительно малоточные приборы (классов точности 1, 5 и 2, 5) для измерений в цепях переменного тока с частотой 1-0 Гц — 1, 5 кГц. Однако надо отметить, что применение пермаллоя для сердечников и высокая культура технологии производства позволили создать переносные ферродинамические приборы высокой точности (класса 0, 5), предназначенные для измерений в цепях переменного и постоянного тока.
Все же применение ферродинамических приборов для измерений в цепях постоянного тока следует считать пока исключением, и поэтому в дальнейшем будем рассматривать их работу только в цепях переменного тока.
Электростатические измерительные механизмы.
В электростатических измерительных механизмах вращающий момент возникает в результате взаимодействия двух систем заряженных проводников, одна из которых является подвижной. Из принципа работы электростатических измерительных механизмов следует, что непосредственно они могут измерять только напряжение, т. е. применяться в вольтметрах. В электростатических измерительных механизмах отклонение подвижной части связано с изменением емкости. В настоящее время практическое применение находят электростатические механизмы, в которых изменение емкости происходит или вследствие изменения активной площади пластин или при изменении расстояния между пластинами. Первый тип механизмов используется главным образом для создания вольтметров на низкие напряжения (в десятки и сотни вольт), а второй — для киловольтметров.
Неподвижная часть этих механизмов с изменяющейся активной площадью пластин (рис. 2. 9) состоит из одной, двух или большего числа камер 1. Увеличивая число камер, можно повысить чувствительность. Каждая камера представляет собой две металлические пластины с воздушным зазором между ними. В зазоры свободно входят тонкие алюминиевые пластины 2 подвижной части. Если к подвижным и неподвижным пластинам подвести измеряемое напряжение, то они окажутся заряженными противоположными по знаку зарядами, в результате чего под действием электростатических сил притяжения подвижные пластины будут стремиться войти внутрь камер. Поворот подвижных пластин, жестко укрепленных на оси 3, вызовет закручивание упругих элементов (обычно растяжек), создающих противодействующий момент. При равенстве вращающего и противодействующего моментов подвижная часть остановится, и по положению указателя на шкале можно будет определить измеряемое напряжение.
|
|
|
Электростатический измерительный механизм с изменением расстояния между электродами (рис. 2. 10) состоит из двух неподвижных пластин (электродов) 1, между которыми подвешена на тонких металлических ленточках 2 подвижная пластина 3. Подвижный электрод электрически соединен с одной из неподвижных пластин и изолирован от другой. При наличии между электродами разности потенциалов подвижная пластина отталкивается от одноименно заряженной неподвижной пластины и притягивается к пластине с зарядом противоположного знака. Следует отметить, что направление перемещения пластины 3 не зависит от знака напряжения U. Перемещение подвижной пластины посредством тяги 7 и мостика 4. передается на ось 6 и стрелку 5. Противодействующий момент в рассматриваемом механизме создается весом подвижной пластины. Это требует установки прибора в такое положение, чтобы при отсутствии напряжения стрелка стояла на нулевой отметке.
На показания электростатических приборов почти не влияют частота измеряемого напряжения, изменения температуры окружающего воздуха и посторонние магнитные поля. Зато в очень сильной степени сказывается действие электрических полей. Вращающий момент, действующий на подвижную часть, имеет небольшое значение. Собственное потребление приборов мало: на постоянном токе оно равно нулю.
Эти свойства определяют области применения электростатических вольтметров и особенности их конструкции.
Электростатические вольтметры используются для измерения напряжений в широком диапазоне частот (20 Гц—30 МГц) в маломощных цепях, а также в цепях высокого напряжения для измерения напряжений до десятков и сотен киловольт без применения громоздких, дорогих и потребляющих большую мощность добавочных сопротивлений. По точности эти приборы соответствуют чаще всего классам 1, 0—1, 5 — 2, 5. Однако они могут быть выполнены и очень точными — класса 0, 1 и даже 0, 05.
Для уменьшения влияния внешних электрических полей применяется электростатическое экранирование. Экран соединяется с одним из зажимов прибора, который при измерениях заземляется. Ввиду малого значения вращающего момента в большинстве случаев подвижная часть электростатических приборов укрепляется на растяжках и применяется световой отсчет.
Выражение для угла отклонения подвижной части электростатического измерительного механизма может быть получено на основании следующих рассуждений.
Энергия электрического поля системы заряженных тел:
где С — емкость системы заряженных тел;
U — напряжение, приложенное к ним.
На основании выражения для вращающего момента (2. 1) получим:
Если противодействующий момент создается при помощи упругих элементов, то для режима установившегося равновесия:
Откуда:
(2. 16)
Из выражения (2. 16) следует, что электростатические вольтметры могут применяться для измерений в цепях постоянного и переменного тока, так как при изменении полярности напряжения U направление, отклонения подвижной части не меняется.
При линейном приросте емкости, т. е. при 
, электростатический вольтметр имел бы квадратичную шкалу.
Для приближения характера шкалы к. равномерному выбирают соответствующим образом форму подвижных и неподвижных пластин, т. е. задаются определенным законом изменения емкости с изменением угла поворота. Этот способ позволяет получить практически равномерную шкалу на участке от 15—25 до 100% ее диапазона показаний.
Индукционные измерительные механизмы. Индукционный измерительный механизм состоит из одного или нескольких неподвижных электромагнитов и подвижной части, выполненной обычно в виде алюминиевого диска.
Переменные магнитные потоки, направленные перпендикулярно плоскости диска, пронизывая последний, индуктируют в нем вихревые токи. Взаимодействие магнитных потоков с токами в диске вызывает перемещение подвижной части.
Индукционные измерительные механизмы по устройству делятся па несколько типов. По числу потоков, пересекающих подвижную часть, они могут быть однопоточными и многопоточными.
Однопоточные измерительные механизмы имеют один электромагнит и подвижную часть в виде диска, асимметрично расположенного на оси. Такие механизмы, хотя и просты по устройству, но в измерительной технике в настоящее время не применяются из-за малости вращающего момента.
Многопоточные индукционные измерительные механизмы делятся на два типа — механизмы с бегущим магнитным полем и механизмы с вращающимся полем. В первых поток (амплитудное значение) в зависимости от времени перемещается поступательно от полюса к полюсу. В механизмах с вращающимся полем этот поток перемещается по окружности или по эллипсу.
Теорию многопоточных измерительных механизмов рассмотрим применительно к двухпоточному прибору (рис. 2. 11, а).
Потоки Ф1 и Ф2 в сердечниках 1 и 2, возбуждаемые токами I1 и I2 и сдвинутые по фазе на угол ψ, пересекая диск 3, индуктируют в нем э. д. с. Е1 и Е2 отстающие от своих потоков на угол π /2 (рис. 2. 11, б).
Токи I1, 2 и I2, 2 в диске будут отставать от э. д. с. Е1 и Е2 на углы 
α 1 и α 2, если диск кроме активного сопротивления обладает некоторой индуктивностью. Потоки Ф1 и Ф2, пронизывающие диск 3, а также токи I1, 2 и I2, 2 в диске показаны на рис. 3. 11, в в виде окружностей.
Выражение для вращающего момента индукционного механизма можно получить из уравнения (2. 1) для момента измерительных механизмов. Однако значительно проще это сделать, пользуясь известным соотношением, определяющим взаимодействие магнитного потока и тока.
Мгновенное значение момента Мtот взаимодействия потока Ф1t и потока созданного током i1, 2 в диске:
,
где с — коэффициент пропорциональности.
Если:
и 
,
то
.
Ввиду относительно большого момента инерции подвижной части измерительного механизма ее движение будет определяться средним значением вращающего момента М за период переменного тока, т. е.:
, (2. 17)
В первом приближении можно считать, что индуктивное сопротивление диска мало по сравнению с его активным сопротивлением, т. е. α 1≈ 0 и γ =π /2. В этом случае вращающие моменты от взаимодействия потока Ф1 и тока I1, 2, а также потока Ф2 и тока и I2, 2, будут практически равны нулю.
Определим значение вращающих моментов от взаимодействия потока Ф1 и тока I2, 2, потока Ф2 и тока I1, 2. Для этого воспользуемся формулой (2. 17). Предположим, что углы α 1=α 2=0, т. е. индуктивностью диска пренебрегаем:
(2. 18)
(2. 19)
 |
Из выражений (2. 18) и (2. 19) видно, что моменты имеют различные знаки и, казалось бы, действие их на подвижную часть будет противоположно.
Рисунок 2. 11 – Индукционный двухпоточный измерительный механизм: а -устройство; б - векторная диаграмма; в - диск со следами потоков и контурами токов
Однако оба момента будут действовать на подвижную часть в одну сторону, что можно доказать, основываясь на физических процессах, происходящих в измерительном механизме. Действительно, взаимодействие потока и тока в диске, который имеет возможность перемещаться, сводится к втягиванию в магнитное поле полюсов или выталкиванию из него диска с контуром тока.
Различие знаков у моментов М1 и М2 указывает на то, что один контур тока втягивается в поле, а другой — выталкивается из соответствующего поля. Следовательно, оба момента М1 и М2 совпадают по направлению и будут перемещать диск в одну сторону. Для определения направления результирующего момента можно воспользоваться правилом, по которому сила взаимодействия магнитного потока и тока или момент направлены от опережающего по фазе потока к отстающему (рис. 2. 11, 6). В данном случае опережающий по фазе поток Ф1 расположен слева от потока Ф2, поэтому направление моментов М1 и М2 будет слева направо, т. е. подвижная часть будет перемещаться в направлении, указанном стрелкой (рис. 2. 11, в).
Таким образом, моменты М1 и М2, несмотря на разные знаки в уравнениях (2. 18) и (2. 19), будут совпадать по направлению. Поэтому для результирующего момента М, действующего на подвижную часть, можно написать:
.
При однородном строении диска, а также при синусоидальном характере изменения потоков можно допустить, что вихревые токи связаны с порождающими их потоками зависимостью:
и 
где f — частота изменения потоков;
c3 и с4 — коэффициенты пропорциональности.
Тогда результирующий момент будет:
(2. 20)
где 
Выражение (2. 20) для М является общим для всех многопоточных индукционных измерительных механизмов.
Проведенный анализ показывает следующее:
1) для создания вращающего момента необходимо иметь не менее двух переменных магнитных потоков или двух составляющих одного потока, сдвинутых по фазе и смещенных в пространстве;
2) вращающий момент достигает своего максимального значения, если сдвиг по фазе между потоками равен 90°;
3) вращающий момент зависит от частоты тока.
|
|
|
